從存儲程序到馮·諾依曼結構
機電時期，人們使用穿孔卡片或穿孔帶編制程序，由于計算機的運算速度受限于機械動作，輸入模塊有充分的時間讀取穿孔介質(zhì)上的指令信息。而到了電子時期，使用穿孔輸入就遠遠跟不上電子運算的節(jié)奏了，因此，人們便利用旋鈕、開關和接插線的不同位置來表示程序，雖然消除了控制與運算之間的速度差距，卻使編程成為一件非常復雜的難事。在ENIAC上設置一個實用程序，往往需要幾個星期的時間，如非必要，使用者很少愿意修改它。因此，盡管ENIAC是通用的，卻總在一段時間內(nèi)只專用于某個問題（比如彈道計算），它的通用價值被大大削弱。而如果頻繁地設置不同程序，機器在很大一部分時間里將無法運行，它的高速性能又被大大浪費。
聰明的讀者或許已經(jīng)想到：程序能不能像數(shù)據(jù)一樣，通過穿孔介質(zhì)輸入之后長期駐存在機器內(nèi)部的存儲器中呢？這樣一來，讀取指令就和讀取數(shù)據(jù)一樣快了。
?？颂睾湍胬蚕氲搅诉@一點，1944年，在ENIAC還未建成之際，研制一臺可以存儲程序的新機器的申請就提交到了導彈實驗室。導彈實驗室同意了這個項目，并提供10萬美元的預算。這臺新機器名叫電子離散變量自動計算機（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），簡稱EDVAC。
原本，EDVAC會和前輩ENIAC一樣，悄悄地建成，風光地亮相，它將成為世界上第一臺存儲程序電子計算機，?？颂睾湍胬麑樗暾堃环輰＠@次不會再有誰質(zhì)疑他們的原創(chuàng)性。然而故事并沒有朝著這條既定路線展開，一位不期而至的“程咬金”使他們的原創(chuàng)變得不再純粹，甚至，遮蓋了他們應有的名氣。他就是大名鼎鼎的約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）。
在所有計算機先驅(qū)中，馮·諾依曼和圖靈一齊擁有著最高的知名度，但其實他的主要成就分布在其他領域。他首先是位偉大的數(shù)學家，在集合論、邏輯學、博弈論、代數(shù)學、幾何學和拓撲學等各大分支都有卓越貢獻，一生發(fā)表的150多篇論文中，120多篇都是數(shù)學論文；而后是一位物理學家，在量子力學和流體動力學中頗有建樹；同時還是化學家和經(jīng)濟學家，是位令多數(shù)同行都只能望其項背的博學者。
他天賦異稟，6歲就能心算8位數(shù)除法，8歲便熟稔微積分，22歲獲得布達佩斯大學數(shù)學博士學位。他能一字不差地背誦出曾經(jīng)看過的名著，甚至電話本，他所知的歷史知識甚至令普林斯頓大學的歷史學教授都自愧不如。其心算能力和記憶力之強，曾令某位ENIAC小組的數(shù)學家感嘆：還造什么計算機，他本身就是臺計算機！
在與馮·諾依曼接觸過的人中，越是高學識者越驚嘆于他的超群智力。蘇黎世聯(lián)邦理工學院的教授喬治·波伊亞用“害怕”來形容自己對馮·諾依曼的感受，因為只要他在課堂上提到某個數(shù)學界的未解難題，馮·諾依曼很可能一下課就拿著完美的解答去和他討論了?！霸幽苤浮倍骼恕べM米曾向曼哈頓計劃的同事這樣形容馮·諾依曼的心算能力：“他的心算速度是我的十倍，而我的心算速度已經(jīng)是你的十倍了?！奔幽么髷?shù)學家海爾·比林則感嘆：“想趕上馮·諾依曼是不可能，那種感覺就好像你騎著三輪車妄圖追上汽車一樣?！敝Z貝爾物理學獎獲得者漢斯·貝特則不止一次半開玩笑地揣測：馮·諾依曼的大腦暗示著有比人類更先進的物種存在。
二戰(zhàn)期間，馮·諾依曼加入曼哈頓計劃，此時的他已經(jīng)擁有極高的學術地位。原子彈的研制涉及大量運算，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室在體驗過機電計算機Harvard Mark I之后，對ENIAC寄予了更高的期望。1944年的夏天，馮·諾依曼作為顧問加入ENIAC項目，提出了許多建設性意見，并深度參與到EDVAC的討論中。
這期間，馮·諾依曼在EDVAC上投入了許多思考，他愈發(fā)覺得，EDVAC不單是一個平凡的計算機項目，它潛藏著更深的理論意義。他想起圖靈的論文，通用圖靈機能夠根據(jù)紙帶上的策略信息模擬任意圖靈機的行為，紙帶是它是存儲器[1]，策略信息就是程序，這正是存儲程序最早的思想萌芽。而他們現(xiàn)在所嘗試的，正是用電子管將它變成現(xiàn)實！1945年6月，在一趟返回洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的列車上，完整的EDVAC已在馮·諾依曼腦中清晰可見，他奮筆疾書，寫出了那篇長達101頁，影響計算機歷史走向的《EDVAC報告書的第一份草案》。
草案不僅詳述了EDVAC的設計，還為現(xiàn)代計算機的發(fā)展指明了道路：
- 機器內(nèi)部使用二進制表示數(shù)據(jù)；
- 像存儲數(shù)據(jù)一樣存儲程序；
- 計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入模塊和輸出模塊5部分組成。
這些在現(xiàn)在看來似乎是理所應當?shù)脑瓌t，在當時卻是一次劃時代的總結。這份草案與其說是馮·諾依曼對EDVAC的設計描述，不如說是他對當時全世界計算機建造經(jīng)驗集大成式的高度提煉。
馮·諾依曼將計算機與神經(jīng)細胞類比，運算器、控制器和存儲器相當于聯(lián)絡神經(jīng)元，輸入模塊和輸出模塊相當于感覺神經(jīng)元和運動神經(jīng)元。通俗地講，就好比人擁有可以思考（處理信息）的大腦，并通過“感覺”獲取來自世界的信息，通過“運動”去改變世界。計算機同樣需要這樣一個世界，那就是當時的穿孔介質(zhì)、開關、旋鈕、接插件，等等，統(tǒng)稱外部記錄媒體。
這種基于存儲程序思想的計算機結構，后來被稱為馮·諾依曼結構。馮諾依曼結構奠定了現(xiàn)代計算機的基調(diào)，放到今天，運算器和控制器就是CPU的主要組成部分，存儲器主要對應為內(nèi)存，輸入和輸出模塊也被芯片化后集成到主板，外部記錄媒體變得豐富多樣，比如鼠標、鍵盤、顯示器、觸屏、手柄、硬盤、U盤、音箱、話筒，等等。
這份草案很快流傳開來，并轟動了整個計算機界，但作為ENIAC團隊的共同成果，卻只署了馮·諾依曼一個人的名字。命運又一次給?？颂睾湍胬_了個大玩笑，這不僅讓EDVAC失去了巨大的專利價值，還讓ENIAC團隊失去了應得的聲譽。盡管馮·諾依曼并非有意為之，埃克特和莫奇利也一再強調(diào)即使沒有馮·諾依曼，他們也能給出同樣的成果，但“馮·諾依曼結構”實在太過經(jīng)典，這個名詞早已深入人心。
而EDVAC的設計思想中，有多少屬于?？颂睾湍胬卸嗌儆謱儆隈T·諾依曼，這是個永遠也解不開的謎。但至少，如果沒有馮·諾依曼將設計方案抽象至理論層面，計算機世界的“大一統(tǒng)時代”可能還要推遲到來。
如果說圖靈描繪了計算機的靈魂，那么馮·諾依曼則框定了計算機的骨架，后人所做的只是不斷豐富計算機的血肉罷了。
1948年4月，ENIAC團隊通過線路改造使ENIAC的函數(shù)表有了存儲指令的能力，但其容量對于程序來說還是太小了。實現(xiàn)存儲程序的關鍵是建造容量足夠大的內(nèi)部存儲器，要既有不拖累電子運算的訪問速度，也要有相對低廉的成本。一時間，計算機界百花齊放，涌現(xiàn)出各種不同的存儲器。
參考文獻
- 胡守仁. 計算機技術發(fā)展史（一）[M]. 長沙: 國防科技大學出版社, 2004.
- Wikipedia. John von Neumann[EB/OL].
- 百度百科. 約翰·馮·諾依曼[EB/OL].
- Wikipedia. First Draft of a Report on the EDVAC[EB/OL].
- Neumann J V. First Draft of a Report on the EDVAC[M]. Philadelphia: Moore School of Electrical Engineering University of Pennsylvania, 1945.
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圖靈機是一種抽象機器，圖靈在提出它時并不考慮如何實現(xiàn)它。它所用的紙帶可以映射為真實計算機用于輸入輸出的穿孔紙帶，也可以映射為存儲器，兼具兩者功能，但其發(fā)揮的作用更偏向于后者。 ?
