冯·诺伊曼计算机的诞生

码农翻身 · 公众号 · 程序员架构 · 2016-10-08 22:10

正文

早期的计算机都是专用计算机，是不可编程的，例如常见的计算器，虽然能轻松的完成基本数学运算，但是你要是想拿来做文字处理，表格处理，或者玩游戏那是肯定不可能了。

因为这些机器内部的电路和一个特定的程序密切相关，对于这些计算机来讲，重新编程就意味着完全从头开始设计，加工，制造一个全新的机器出来，当然新的机器依然是专用的。

假设时间回到上个世纪40年代，领导让你设计一台通用计算机，你会怎么做？

首先你要考虑的是，这样的计算机 在理论上是否可行 ，如果理论上都造不出来，那就别白费力气了。

你最不擅长的就是数学理论，苦思冥想还是找不到答案，突然有一天看到一篇划时代的论文，就像跌入山崖而无意中得到一本武林秘籍一样让你欣喜若狂。

这个论文叫做《可计算数字及其在判断性问题中的应用》，作者阿兰 · 图灵，他在论文中提出了一个假想的机器，后来被称为图灵机。

这个机器看起来如此的简单，只有一个无限长的纸带，一个读写头，一个状态集合，再加上一个规则表（程序）。

但是你敏锐的意识到：这个机器证明了通用计算理论，肯定了计算机实现的可能性，同时它给出了计算机应有的主要架构。

理论问题被解决了，那就回到通用计算机的设计问题上来吧，既然要“通用” ，那肯定要允许大家写各种各样的程序，计算机的硬件设备肯定不能和某个程序绑定。

一个偶然的机会，你听说宾夕法尼亚大学发明了一个叫做ENIAC的机器，这个拥有1.8万个真空管，长30多米，重大30吨的庞然大物每秒竟然能执行5000次加法和400次乘法，让你惊叹不已。

但是你仔细研究以后就发现了它的一个重大缺陷：编程极为困难，虽然这台计算机支持顺序，循环，分支，子程序等操作，但是却是用电路板上的开关来输入的。

想把一个程序输入计算机通常得好几周：程序首先要在纸上写出来，然后在花好几天的时间来操作开关和电缆，还要验证和调试，但是这一切做好以后，运行时间可能只有几分钟。由于设计和输入程序的时间开销太大，计算机运行速度快的优势就被抵销了。

如果程序切换以后，想再次运行上一个程序，还得重新把开关和电缆操作一遍，让人抓狂。

如果能把程序存储下来该多好，需要运行了，找到它运行就行了。

存储程序，这并不是一个全新的想法，当然，想把程序存储下来，需要定义一下机器的“指令集”，这样各种各样的程序才用指令集中的指令描述出来，方便存储。

你决定和ENIAC的Eckert and Mauchly 一起工作，改进ENIAC , 同组的还有一个叫做 冯·诺伊曼 的大科学家作为顾问，要知道冯·诺伊曼可是一个全才科学家，在量子理论，集合论，博弈论都有重大贡献，他深厚的数学功底，探索问题和综合分析的能力给了你们极大的帮助。

针对ENIAC的缺点，你们提出了一个全新的计算机体系结构：

在这个结构中一个程序由若干指令组成，在运行之前，要被“放到“某个地方，你把这个地方称为 存储器 （内存），可以把内存比喻成包含一个个格子的东西，每个格子里放一条指令。

一个叫 控制器 的东西去读取“格子“中这个程序的第一条指令，分析指令到底要做什么事情，然后 运算器 去执行这个指令，执行完第一条就接着执行第二条，如此一直运行下去......

控制器和运算器是如此紧密的在一起工作，你决定把它叫做 处理器 。

很多程序不仅仅是简单的运算，大部分情况下还要把运算的结果放回到内存的“格子”中，现在有个问题困扰着你，内存中已经有指令了，也要把数据放到这里吗？