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电子计算机所存在的问题

日期:2016-04-14 17:11:06 来源:大学生学习网

  根据第一台电子计算机所存在的问题,1946年,参加了ENIAC机后期研制工作的杰出数学家、美籍匈牙利人冯·诺依曼(Johnuon  Newmann,1903—1957),提出了设计计算机的新思想,在电子计算机研制方面作出许多开创性贡献。为此人们给他戴上“现代计算机之父”的桂 冠。

  1903年12月28日,冯·诺依曼出生在匈牙利布达佩斯的一个犹太人家里。从孩提时起,他就是一个神童,具有超人的智力,6岁 能心算8位数乘、除法,8岁掌握了微积分,12岁就能读懂近代大数学家所著《函数论》一类的专著,叫人惊叹不已。很自然,后来在匈牙利的数学竞赛中他轻而 易举地取得了第一名。升入中学后,诺依曼受到了特殊的教育和严格的数学训练,未满18岁就和指导老师合写了第一篇数学论文。他能流利地说拉丁语和希腊语, 并在语法修辞方面有真知灼见。诺依曼掌握了7种语言,这成为他在以后的科学研究中不可缺少的工具。大学期间,他同时在两所大学接受理论和技术方面的严格训 练,并同时获得苏黎世高等技术学院化学学士学位和布达佩斯大学数学博士学位。

  冯·诺依曼有着惊人的记忆力和敏捷的分析能力,他读书几 乎过目成诵,思考问题的快速度也令人赞叹。有一次,一名数学工作者对一个问题的5种情况用手摇计算机算了一个通宵,第二天去请教诺依曼,他仅用了7分钟就 把这个问题的5种情况的结果算了出来,接着又用半个小时,找到了更好的简捷算法,使请教者佩服得五体投地。

  1930年诺依曼应聘去美 国普林斯顿大学工作,成为该校高等研究院首批6个常任成员之一(爱因斯坦也是成员之一),从此他就始终站在科学研究的最前沿。诺依曼是20世纪最有成就的 科学家之一,他是作为化学工程师开始进行科研工作的,后来改行搞数学理论物理。在纯粹数学、应用数学、计算数学方面都有创造性的突出贡献;在统计学、流体 动力学、弹道学、气象学、博弈论等许多领域都有重大建树。他参加了研制原子弹的曼哈顿计划,是美国总统任命的国家原子能委员会委员、导弹顾问委员会主席, 还是美国数学学会主席,首届爱因斯坦奖和费米奖获得者。从诺依曼这些头衔和荣誉,你可以了解到诺依曼是20世纪科学王国中多么骁勇的功臣。然而,有一个问 题始终困扰着诺依曼:在研究原子核裂变反应过程中需要大量的计算,计有10亿次以上。这些10亿以上次的运算大多相当初等,只需在裂变反应的传播过程中作 出可不可行的“是”与“否”的回答,也就是说,这些大量的计算仅要得出一个“真”与“假”的逻辑解,是纯粹的初等逻辑运算。而当时的计算机在逻辑运算方面 是非常欠缺的。诺依曼针对这个问题一直在思考着。一个偶然的机会,诺依曼被引向电子计算机的研究。

  一天,诺依曼与正在参加制造 ENIAC的戈德斯坦在火车站见面了。戈德斯坦早就听说过诺依曼这位世界名流,便主动作自我介绍,两个人热情友好地攀谈起来。当戈德斯坦谈到正在研制电子 装置计算机时,诺依曼的眼睛为之一亮,谈话的气氛一下子变了,他急切地询问ENIAC的情况。戈德斯坦介绍ENIAC用真空电子管构成基本逻辑单元,有电 子线路和逻辑运算功能,其速度可以提高1000倍时,诺依曼非常兴奋。他迫不及待地提出要看看这台尚未出世的机器。几天后,诺依曼来到莫尔学院,认真仔细 地观看了这台电子装置,然后询问了机器的逻辑结构和整体设计思想。凭着他的天才,他太知道这台机器的与众不同了。以后诺依曼就成了莫尔小组的常客,并直接 参与了研制工作,提出了许许多多的改进和完善意见。不过这时ENIAC制造已经接近尾声,不可能大改大动了。这是非常遗憾的事,大家都认为诺依曼来得太晚 了,可是他的意见使这里的科学家们站得更高了,使他们彻底了解了ENIAC的不足之处。

  于是在1945年3月,诺依曼和莫尔小组一起 开始设计和研制一台全新的存储程序通用电子计算机,称之为“离散变数自动电子计算机”,即“EDVAC”,对“ENIAC”做重大改进。诺依曼总结了 ENIAC的优点,明确规定这台计算机由5部分组成:即运算器,逻辑控制器,存储器,输入和输出。这5部分有各自的职能和相互联系。

   第一个改进是变十进制为二进制。采用二进制的优点,是因为电子元件或线路比较容易实现两个相互对立的稳定状态来代表两个不同的数码,例如电压的高与低,正 与负,电子管的通与断,电讯号的有与无,磁芯的两种不同的剩磁状态等等。而且这两种状态可以在非常短暂的瞬间互相转换。这要比用10个不同的稳定状态来表 示十进制里的10个数码要简单得多。人们可能会想到,二进制的每一位只能表示0和l,和十进制相比,在表示同样一个数字时,若用二进制表示,位数就会增加 很多,在运算处理时要带来麻烦。但是如果你仔细地想一想,既然二进制位数增多了,但是在处理每一位时,由于一位仅有“0”和“l”两种状态,处理起来就会 变得简单多了。这种简单大大地抵消了位数增多而带来的麻烦。使数与数之间的运算变得简单是重要的,电子元件和线路的高速度,可以使二进制位数增多忽略不 计。所以诺依曼认为电子计算机中的存储器和运算器按其性能来说最适于二进制,而且执行基本运算时最简单也最快。另外,诺依曼指出,就计算机的性质讲,主要 部分并非运算而是逻辑,而新的逻辑是真与假的二值系统,所以计算机应采用二进制。