2.2.1　计算机系统的冯·诺依曼结构

1945年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼博士在与ENIAC机研制组成员共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。冯·诺依曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告，报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。1946年6月，冯·诺依曼发表了论文《电子计算机装置逻辑结构初探》，以上两份既有理论又有具体设计的文件，首次在全世界掀起了一股“计算机热”，它们的综合设计思想，便是著名的“冯·诺依曼机”，它标志着电子计算机时代的真正开始，指导着以后的计算机设计。冯·诺依曼还设计出第一台“存储程序”的离散变量自动电子计算机（The Electronic Discrete Variable Automatic Computer，简称EDVAC）。EDVAC在1952年正式投入运行，其运算速度是ENIAC的240倍。

冯·诺依曼结构计算机工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”，并具有如下3个特点：

（1）计算机硬件由五大基本部件组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

①程序和数据通过输入设备存入存储器，运算器运算时，从存储器中读取数据，运算结果（或中间数据）再存入存储器，通过输出设备输出结果。

②执行指令时，从存储器中读取指令，控制器根据指令发出控制信号，控制其他部件协调工作。

计算机硬件工作过程如图2-2所示。

（2）程序和数据均存放在存储器中，且能自动依次执行指令。

（3）所有的数据和程序均采用二进制数0，1表示。

迄今为止的计算机系统基本上是建立在冯·诺依曼结构计算机原理上的。

事物总是在发展，随着科学技术的进步，今天人们又认识到“冯·诺依曼机”的不足，它妨碍着计算机速度的进一步提高，为此人们又提出了新一代计算机的设想，如生物计算机、量子计算机、光子计算机等。

生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片，利用有机化合物存储数据。这种计算机运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍，它具有很强的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰，且具有巨大的存储能力。生物计算机正在静悄悄地研制着，有朝一日出现在科技舞台上，就有可能彻底实现现有计算机无法实现的人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的神经网络处理功能。

量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算速度可能比奔腾4芯片快10亿倍，就像一枚信息火箭，可在一瞬间搜寻整个互联网。

光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成，是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。现在光子计算机的运行速度可高达万亿次，存储量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。

目前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。