講解“Ｖｏｎ Ｎｅｕｍａｎｎ計算機(jī)”時應(yīng)傳達(dá)的三個啟示

文章編號：1672-5913(2008)10-0122-02

摘要：本文認(rèn)為在講解“Von Neumann計算機(jī)”時應(yīng)告訴學(xué)生：“分而治之”是創(chuàng)新的重要方法；“簡單就是美”是檢驗創(chuàng)新效果的關(guān)鍵；“Von Neumann計算機(jī)”是需要改進(jìn)的，創(chuàng)新是無止境的。

關(guān)鍵詞：Von Neumann計算機(jī)；計算機(jī)組成；創(chuàng)新教育

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

“計算機(jī)組成技術(shù)”課程為非計算機(jī)專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其中最重要的知識點就是“Von Neumann計算機(jī)”。了解它背后的啟示，可以讓學(xué)生感受到創(chuàng)新在推動技術(shù)進(jìn)步中的巨大作用，從而培養(yǎng)起學(xué)生的創(chuàng)新興趣與創(chuàng)新意識，初步掌握創(chuàng)新的能力與方法，為將來在建設(shè)創(chuàng)新型國家的偉大事業(yè)中建功立業(yè)打下扎實的基礎(chǔ)。

2“Von Neumann計算機(jī)”及其特點

Von Neumann等人于1946年6月發(fā)表了一篇旨在構(gòu)建一臺通用計算機(jī)的技術(shù)報告《關(guān)于電子計算裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》。這份報告提出了以存儲程序來進(jìn)行控制的電子計算裝置EDVAC的設(shè)計方案(如圖1所示)。

這個方案提出的“存儲程序”的思想是指：計算機(jī)的用途(程序/軟件)和硬件完全分離。硬件結(jié)構(gòu)采用固定性邏輯，其功能是固定不變的。通過編制不同功能的程序(軟件)來滿足不同用戶對計算機(jī)的應(yīng)用需求。求解一個實際問題就需要事先將解題過程分解成一系列簡單、機(jī)械、有序的計算步驟，然后將這些有序的計算步驟一一對應(yīng)地翻譯、轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別并可執(zhí)行的指令。最后把這些有序的指令匯總成一個程序，并將其存儲在計算機(jī)中。

這個設(shè)計方案對后來電子計算機(jī)的設(shè)計產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。依照這個設(shè)計方案設(shè)計實現(xiàn)的電子計算機(jī)后來被稱為“Von Neumann計算機(jī)”。時至今日，在市場上能看到的電子計算機(jī)幾乎都是“Von Neumann計算機(jī)”。

“Von Neumann計算機(jī)”的特點是[2]：

(1) 計算機(jī)由存儲器、控制器、運算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個部件組成。

(2) 存儲器是由一組一維排列、線性編址的存儲單元組成，按照地址來訪問存儲單元。

(3) 指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼規(guī)定了指令的操作類型，地址碼指示操作數(shù)在存儲單元中的地址。

(4) 程序(指令)與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲在同一個存儲器中。

(5) 指令在存儲器中按順序存放。計算機(jī)逐條、順序地執(zhí)行指令。

(6) 指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制數(shù)來表示。

(7) 計算機(jī)以運算器為中心，輸入/輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)交換要通過運算器來完成。這個特點使得運算器無法專注于運算，后來的“Von Neumann計算機(jī)”改成以存儲器為中心(如圖2所示)。

綜上所述，“Von Neumann計算機(jī)”最重要的思想是“存儲程序”，最突出的特點是把計算機(jī)分成存儲器、控制器、運算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個部件

圖1 早期的Von Neumann計算機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 現(xiàn)代的Von Neumann計算機(jī)結(jié)構(gòu)

3“Von Neumann計算機(jī)”背后的啟示

(1) “分而治之”是創(chuàng)新的重要方法

“存儲程序”思想的核心就是將計算機(jī)的功能分成兩部分：基礎(chǔ)功能和用戶特需功能?；A(chǔ)功能是獨立于具體應(yīng)用的，或者說是與用戶無關(guān)的，由機(jī)器(硬件)來提供；用戶特需功能是與用戶有關(guān)的，不同的用戶可能需要不同的功能，由程序(軟件)來完成。

在“Von Neumann計算機(jī)”中，計算機(jī)的基礎(chǔ)功能被進(jìn)一步分成：運算功能、存儲功能、輸入功能和輸出功能。實現(xiàn)這些功能的器件被分別劃分成存儲器、控制器、運算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五部分。

對所面臨的問題進(jìn)行劃分/分類，然后區(qū)別對待，即“分而治之”，是創(chuàng)新的重要方法。這種方法不僅被應(yīng)用于硬件設(shè)計，還被廣泛地應(yīng)用于軟件/算法設(shè)計。

(2) “簡單就是美”是檢驗創(chuàng)新效果的關(guān)鍵

為什么“Von Neumann計算機(jī)”基本結(jié)構(gòu)經(jīng)歷六十年巍然不變？它成功的關(guān)鍵在于五個部件簡單的互連結(jié)構(gòu)?！癡on Neumann計算機(jī)”抽象起來就是“以一個部件為中心，實現(xiàn)五個部件互聯(lián)的星型結(jié)構(gòu)”。這樣的結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)“五個部件互聯(lián)”上是最簡單的、連接鏈路是最少的。由于外圍的四個部件只能與中心部件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而且有些數(shù)據(jù)通路還是單向的，因而Von Neumann計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送指令也是最簡單的。

“Von Neumann計算機(jī)”的第二個重要特點就是：存儲器是由一組一維排列、線性編址的存儲單元組成，按照地址來訪問存儲單元，需要的技術(shù)是最低的。

“Von Neumann計算機(jī)”還有一個重要特點就是：程序(指令)與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲在同一個存儲器中，是最簡單、最易于實現(xiàn)的。

另外，“Von Neumann計算機(jī)”采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)，二進(jìn)制是最簡單、最易于實現(xiàn)的進(jìn)位計數(shù)制，

所以“Von Neumann計算機(jī)”的特點可以歸納為：用最簡單、最易于實現(xiàn)的思想(二進(jìn)制及其運算規(guī)則)來表示數(shù)據(jù)并實現(xiàn)運算，采用最簡單的的存儲結(jié)構(gòu)和互連結(jié)構(gòu)來組成一臺計算機(jī)。

“簡單就是美”的工程哲學(xué)理念造就了“Von Neumann計算機(jī)”的成功。

(3) “Von Neumann計算機(jī)”是需要改進(jìn)的，創(chuàng)新是無止境的

在教學(xué)中需要特別指出的是：“Von Neumann計算機(jī)”并不是真理，并不是技術(shù)發(fā)展的頂峰，它也是存在問題的。

早期的是以運算器為中心，不僅使得運算器同時承擔(dān)運算和數(shù)據(jù)傳送的功能，而且低速的輸入/輸出設(shè)備導(dǎo)致高速的運算器頻繁等待，存在“運算器的工作效率和利用率較低”的問題。因此“Von Neumann計算機(jī)”很快被改進(jìn)成以存儲器為中心，不僅使得運算器可以專注于運算并行工作，而且使得計算機(jī)五個功能模塊的互聯(lián)更加簡單。

由此可見，“Von Neumann計算機(jī)”是需要改進(jìn)的，創(chuàng)新是無止境的。

“Von Neumann計算機(jī)”最大的問題就是沒有智能，它是按照人類實現(xiàn)編制好的程序來工作。人們期待的第五代計算機(jī)就是智能計算機(jī)，如果同學(xué)們能夠在計算機(jī)的智能化方面取得突破，將是對人類文明的重大貢獻(xiàn)。

“Von Neumann計算機(jī)”的第二個問題就是存儲器中存儲單元的長度/位數(shù)的固定的/等長的。這既是它的優(yōu)點——簡單，也是它的缺點。如果數(shù)據(jù)較小(有效位數(shù)短)，則會浪費存儲空間。如果數(shù)據(jù)較大(有效位數(shù)長)，則會丟失有效位數(shù)，導(dǎo)致出現(xiàn)“溢出”錯誤。

“Von Neumann計算機(jī)”的第三個問題就是數(shù)據(jù)只有數(shù)值而沒有屬性。例如，一支筆加兩支筆被表示為1+2，而一杯水加兩勺糖也被表示為1+2，甚至倉庫里進(jìn)了一桶汽油又進(jìn)了兩箱火柴也被表示為1+2。這個問題被稱為“Von Neumann語義差距”，導(dǎo)致了計算的“不可信”。目前“可信計算”是計算機(jī)科學(xué)的研究熱點，但是主要是通過軟件來彌補(bǔ)，沒有觸及“Von Neumann計算機(jī)”的根本。

上述問題的存在對我們來說應(yīng)該是好件事，為我們提供了創(chuàng)新的機(jī)會。

4結(jié)束語

在以往的教學(xué)工作中，我們比較重視強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識的傳授，而缺少科學(xué)思維、科學(xué)方法方面的引導(dǎo)和訓(xùn)練。作為高等學(xué)校的教師，我們必須把為國家培養(yǎng)創(chuàng)新人才當(dāng)作自己責(zé)無旁貸的歷史責(zé)任，自覺地把創(chuàng)新方法的抽象總結(jié)與傳授融入到日常的教學(xué)工作中，讓學(xué)生在每一門課程、每一次授課的學(xué)習(xí)過程中，都能夠領(lǐng)略到創(chuàng)新的思路和方法，培養(yǎng)起創(chuàng)新的興趣和勇氣，成為建設(shè)創(chuàng)新型國家的棟梁之才。

參考文獻(xiàn)

[1] 李東，蔣宗禮，蘇曉紅. “計算機(jī)組成技術(shù)”教學(xué)設(shè)計[J]. 科教論壇，2000，(4):9-12.

[2] 唐朔飛. 計算機(jī)組成原理[M]. 北京:高等教育出版社，2000.