通用电子计算机的起源

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1944年夏，美国马里兰州火车站，熙熙攘攘的人群中，从一列破旧的军列里挤下来一个年轻的军官，赫尔曼·戈德斯坦中尉，手里拎着公文包，站在堆满军用物质的繁忙站台，偶遇了一个改变世界的人，这个人就是大名鼎鼎的冯·诺依曼。两人寒暄几句，便急匆匆的坐上一辆汽车，开向了宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院。原来，当时的冯·诺依曼已受美国国防部邀请参与制造第一颗原子弹的曼哈顿计划，负责设计原子弹的爆炸外保护层，而这项工作涉及到大量的复杂数学计算，冯·诺依曼意识到，他需要一台全新的性能远超当前所有的计算器，而此刻，赫尔曼中尉正负责一项秘密研发任务，用于新式火炮弹道火力表计算的全新的计算机器，这台全新理念的计算机器正在宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院紧锣密鼓的研制当中，此后，冯·诺依曼便经常造访摩尔电气工程学院，并为新式计算机器的研制提供指导。

二战中各种新式武器层出不穷，刚试制出来的新式大炮如何确定其性能，能否通过验收，必须对其发射的炮弹轨迹进行分析，一发炮弹从发射升空到落地爆炸，只需1分来钟，而计算这发炮弹的轨迹需要做750次乘法运算，一张完整的弹道表需要计算近4千条弹道，试想，一发炮弹发射过去，100多人用当时的手摇计算机手忙脚乱的算个不停，还经常出错，那场面不免令人啼笑皆非（很是酸爽），而这就是当时赫斯曼中尉的工作，赫斯曼本身就是一位数学家，曾在密歇根大学任数学助理教授。于是，赫斯曼中尉找到他的朋友，摩尔电气工程学院的36岁的物理学家莫奇利副教授，莫奇利擅长系统思维总体构思，他的设想总能被他的研究生当时24岁的埃克特理解并实现，于是，莫奇利和埃克特几经讨论，提出研制一台前所未有的计算机器，采用当时刚发明问世的电子管，把弹道计算的效率提高上千倍，这就是世界上第一台通用电子计算机—“电子数字积分计算机”（The Electronic Numerical Integrator and Computer，简称ENIAC）。

ENIAC

1946年研制成功，使用18000个电子管和1500多个继电器，重约30吨，占地约170平方米（约2.4米*0.9米*30米），开启了人类通用电子计算机的序幕。

（注意：ENIAC意味着“通用”和“电子”计算机的鼻祖，“逻辑控制”是存储程序的真正内涵。什么是逻辑控制？就是计算的过程完全摆脱人的控制，只有计算机自动的按一定的顺序完成特定的操作。ENIAC真正解决的所谓“通用”就是指“逻辑控制”，ENIAC采用大量接插板和开关完成程序编程，开始计算前，需要很多人将线头插好，将开关拨到相应位置，以保证计算过程按设计的逻辑进行，一旦开始计算，人就不再干预，只有在完成计算或出错停机时才能对插头和开关进行调整。因此，ENIAC的本质是通用机。）

电子管

ENIAC每秒可以进行5000次加法运算，300次乘法运算，远超当时所有的计算机器，但耗电量太大，一开机半个小镇都得停电，另外进行一次计算，需要几十个人把上百条线路一一连接，导致连线好几天，运算几分钟，中间还在不停地更换坏掉的电子管。

1946年2月，ENIAC第一次计算就展现了它的奇迹：一颗16英寸的海军炮弹还没落地，其弹道参数就被计算出来了，计算的时间短于炮弹飞行的时间。

ENIAC没有最大限度地发挥电子技术所提供的巨大潜力，主要缺点：（1）采用十进制，没有充分发挥电子元件的速度；（2）程序“外挂”，计算之前需要接通各种开关和线路。

1945年6月，冯·诺依曼对ENIAC的设计理念进行了总结，提出新的设计思想：存储程序和程序控制。这就是“电子离散变量自动计算机”（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）的诞生，发表了一份长达101页的报告，（First Draft of a Report on the EDVAC，关于离散变量自动电子计算机的草案），这便是计算机史上最著名的“101报告”，具有划时代的革新意义。

我们一起快速浏览一下这篇101页的报告，摘录如下。

2.0 MAIN SUBDIVISIONS OF TEH SYSTEM

2.1 In analyzing the functioning of the contemplated device, certain classificatory distinctions suggest themselves immediately.(只要分析一下这台构想中的设备应该具备哪些功能，就不能看出，该设备的核心部件应该分为几个大类。)

2.2 First: Since the device is primarily a computer, it will have to perform the elementary operations of arithmetics most frequently. These are addition, subtraction, multiplication and division，It is therefore reasonable that it should contain specialized organs for just these operations. … At any rate a central arithmetical part of the device will probably have to exist, and this constitutes the first specific part: CA.（第一，由于该设备本质上是一台计算机，必须具有最基本的算术运算，包括加法、减法、乘法和除法等，因此该设备应该包含专门执行此类运算的部件，… ，称之为CA，中央算术器central arithmetical。）

解析：

2.3 Second: The logical control of the device, that is the proper sequencing of its operations can be most efficiently carried out by a central control organ.

（第二，该设备需要对不同的运算操作进行有效的排序，即逻辑控制，完成这一逻辑控制过程的部件称为中央控制器central control organ，简称CC）

2.4 Third: Any device which is to carry out long and complicated sequences of operations (specifically of calculations) must have a considerable memory.

（第三，任何设备要想进行长时间的复杂操作（特别是计算操作），都必须一个容量客观的存储器memory，简称M）

2.6 The three specific parts CA, CC (together C) and M correspond to the associative neurons in the human nervous system. It remains to discuss the equivalents of the sensory or afferent and the motor or efferent neurons. These are the input and the output organs of the device, and we shall now consider them briefly.

（AC，CC，M这三大部件就相当于人神经系统中的神经元。至于哪些部件对应于人的感觉神经元（又称传入神经元）和运动神经元（又称传出神经元），这就是该设备的输入装置和输出装置。）

解析：这个设计方案包含五大部件：

第一，运算器，负责完成所有的算术和逻辑运算操作，其主要ALU（算术逻辑运算单元）。

第二，中央控制器，控制程序的运行，决定计算机的下一步动作。

第三，存储器，用于保存程序及程序输出的结果。

第四，输入设备，将信息转变成计算机能识别的形式

第五，输出设备，将计算机运算的结果转变成人们熟悉的形式。

冯诺依曼计算机架构

简单地讲，就是：

① 系统组成——五大部件

② 工作方式——程序控制

③ 信息形式——二进制数