诺依曼提出的计算机基本工作原理

5.4.2.1 电器元件的使用和理论基础

随着科学技术的进步，生产力的提高. 20世纪以来电子工业蓬勃发展，1904年，英国人弗莱明(J·A·Fleming，1849—1945)发明了真空二极管，1906年，美国人德福里斯特(L·de Forest， 1873—1961)，发明真空三极管. 这些电子元件控制电流开闭的速度比继电器快一万倍. 它们结合的产物是1919年出现的第一个电子触发器.

1941年德国工程师朱斯(K.Zuse)采用电器元件制造出第一台通用控制计算机Z-3，随后MARK-Ⅰ机、MARK-Ⅱ机问世.巴贝吉之后，冯·诺伊曼(J.Von Nue mann，1903—1957)和A·M ·图灵(A.M.Turing，1912—1954)是计算机发展史上建立第一座丰碑的两个数学家.

布尔代数(逻辑代数)是电子计算机的理论基础，它的特殊运算x2=x，决定了基本度量与逻辑函数只能取两个值: 0与1. 这一点使布尔代数特别适合于对具有切断与接通两种状态的电路系统进行分析和综合. 1910年，荷兰学者埃伦菲斯特(P.Ehrenfest)首先用逻辑代数作为分析与综合继电器电路的数学方法. 20世纪30年代后期，人们开始系统研究用布尔代数设计电网问题. 因此，当40年代自动数字计算机出现时，数学已经从基础到线路设计的有效方法都准备好了.

5.4.2.2 电子计算机的诞生

第二次世界大战使电子计算机的制造成为急需. 绘制炮击火力表要处理大量数据，费时费力. 效率低下意味着贻误战机，被动挨打. 1942年8月，宾夕法尼亚大学物理学家莫希莱(John Wilian Mauchly，1907—1980)提出一篇用电子元件造机可能性的报告，作为计算炮击表的领导人、数学家戈德斯坦中尉，大力争取军方支持报告方案，1943年4月获得批准，6月开始试制. 1944年夏，戈德斯坦在阿伯丁试炮场附近遇见了参加第一颗原子弹研究制工作的冯·诺伊曼(J.Von Nuemann，1903—1957)，并告诉他试制工作顺利，一旦制成将比任何“电”计算机速度快1千倍. 冯·诺伊曼大感兴趣，因为他已经为试制原子弹等项目大量的计算工作伤透了脑筋，于是加入了这项工作，并以过人的智慧解决了好些关键问题. 这项工作1945年底宣告结束，1946年2月15日交付使用. 一般认为，这是第一台电子计算机，定名为ENIAC——电子数字积分和计算机，占地170m2，用了18000个电子管，70000个电阻，10000个开关，体长30m，高3m，宽1 m，重30t，耗电140k W，速度每秒5000次加、500次乘或50次除法. 而最大的特点能按照人所编好的程序自动进行计算，开辟了计算机的新纪元.

由于意见不和，ENIAC小组，在计算机交付使用前，主要成员各奔东西，莫希莱和埃克特另建公司，研制UNIVAC计算机;冯·诺伊曼、戈德斯坦去了普林斯顿，由冯·诺伊曼主持制造了一台实验性的计算机——EDVAC，这台具有某些“思维”功能的计算机，在第一颗氢弹的研制中起了很大作用，EDVAC多次被仿造. 1946年，冯·诺伊曼与他人合作发表“电子计算装置逻辑结构初步讨论”. 文中给出了冯·诺伊曼的设想，表明EDVAC机有两项重大改进: ①采用二进制; ②“存贮程序”自动控制，并把存贮程序具体化. EDVAC把冯·诺伊曼所有设想都具体实现了. 从此，电子计算机走完了实验阶段而进入工业生产，一个电子计算机的新时代正式开始了. 而图灵也在英国独立研究计算机. 由图灵设计，1950年造出了自动计算机(ACE)，英国电子公司以DEUCE的名称复制了约30台，是世界上第一台成批生产的计算机，效率远比EDVAC高.

5.4.2.3 现代计算机的演变

EDUCE、EDVAC机为现代计算机奠定了基础之后，计算机发展极为迅速，并经历了几次重大变化，就机器本身来说，已经更新到第四代.

第一代以电子管为主要元件，采用磁鼓存贮，利用这一代计算机把人造卫星送上了天;

第二代可以从1950年代末期算起，是计算机提高和推广时期. 这个时期的计算机以晶体管构成基本电路，内存改用磁心，外存大量应用磁盘，开始有了算法语言和编译系统，运算速度可达几百万次，体积、重量、耗电、造价大为减少;

第三代称小规模集成电路计算机，计算机发展更迅猛，其存储容量平均每年以25%的速度增加，价格平均每年降低20%. 这时的计算机已有操作系统，机型小而应用广泛，并有了终端与网络，运算速度已达每秒千万次.

第四代称是大规模集成电路计算机，与第三代计算机无明显界限. 20世纪70年代就开始研制了. 最突出的表现是向微型和巨型化发展，微型机的大批生产和应用，深刻地影响了工业生产，科研办公和日常生活; 巨型机发展也令人瞩目，计算速度大大提高，一般都在每秒1.5亿次～2.5亿次. 据报道日本在1990年初，已研制出每秒5亿次的神经计算机.

从1980年代起，计算机网络化的浪潮风起云涌，以计算机技术为基础的“信息高速公路”已贯穿全球. 计算机已超出数学的范围，成为人类发展史上又一伟大的里程碑. 计算机网络正在改变人们的生活方式. 同时，美、日等发达国家，拨出巨额资金，投入大量人力，着手研制第五代计算机. 就其性能来看，是以人工智能为基础的非冯·诺伊曼机. 目前已很难说清计算机到了第几代，从发展的态势来看，是通用机不断改进，巨型机不断发展，小型机继续普及，微型机正在崛起. 它像水、空气一样，成了人们生活的必需品.