馮·諾伊曼人物簡介
馮•諾伊曼是20世紀最傑出的數學家之一，於1945年提出了“程式記憶體式”計算機的設計思想。這一卓越的思想為電子計算機的邏輯結構設計奠定了基礎，已成為計算機設計的基本原則。由於他在計算機邏輯結構設計上的偉大貢獻，他被譽為“計算機之父”。人生經歷
馮•諾伊曼於1903年生於匈牙利的布達佩斯。他是一個數學神童，11 歲時已顯示出數學天賦。12歲的馮•諾伊曼就對集合論，泛函分析等深奧的數學領域了如指掌。青年時期，馮•諾伊曼師從著名數學家希爾伯特，從此，他更是如魚得水，在數學的海洋中暢遊。在獲得數學博士學位之後，他成為美國普林斯頓大學的第一批終身教授，那時，他還不到30歲。馮·諾依曼在數學的諸多領域都進行了開創性工作，並作出了重大貢獻．在第二次世界大戰前，他主要從事運算元理論、集合論等方面的研究．1923年關於集合論中超限序數的論文，顯示了馮·諾依曼處理集合論問題所特有的方式和風格．他把集會論加以公理化，他的公理化體系奠定了公理集合論的基礎．他從公理出發，用代數方法導出了集合論中許多重要概念、基本運算、重要定理等．特別在1925年的一篇論文中，馮·諾依曼就指出了任何一種公理化系統中都存在著無法判定的命題．1933年，馮·諾依曼解決了希爾伯特第5問題，即證明了局部歐幾里得緊群是李群．1934年他又把緊群理論與波爾的殆周期函式理論統一起來．他還對一般拓撲群的結構有深刻的認識，弄清了它的代數結構和拓撲結構與實數是一致的．他對運算元代數進行了開創性工作，並奠定了它的理論基礎，從而建立了運算元代數這門新的數學分支．這個分支在當代的有關數學文獻中均稱為馮·諾依曼代數．這是有限維空間中矩陣代數的自然推廣．馮·諾依曼還創立了博弈論這一現代數學的又一重要分支．1944年發表了奠基性的重要論文《博弈論與經濟行為》．論文中包含博弈論的純粹數學形式的闡述以及對於實際博弈套用的詳細說明．文中還包含了諸如統計理論等教學思想．馮·諾依曼在格論、連續幾何、理論物理、動力學、連續介質力學、氣象計算、原子能和經濟學等領域都作過重要的工作． 1911年一1921年，馮·諾依曼在布達佩斯的盧瑟倫中學讀書期間，就嶄露頭角而深受老師的器重．在費克特老師的個別指導下併合作發表了第一篇數學論文，此時馮·諾依曼還不到18歲．1921年一1923年在蘇黎世大學學習．很快又在1926年以優異的成績獲得了布達佩斯大學數學博士學位，此時馮·諾依曼年僅22歲．1927年一1929年馮·諾依曼相繼在柏林大學和漢堡大學擔任數學講師。1930年接受了普林斯頓大學客座教授的職位，西渡美國．1931年他成為美國普林斯頓大學的第一批終身教授，那時，他還不到30歲。1933年轉到該校的高級研究所，成為最初六位教授之一，並在那裡工作了一生．馮·諾依曼是普林斯頓大學、賓夕法尼亞大學、哈佛大學、伊斯坦堡大學、馬里蘭大學、哥倫比亞大學和慕尼黑高等技術學院等校的榮譽博士．他是美國國家科學院、秘魯國立自然科學院和義大利國立林且學院等院的院士．1954年他任美國原子能委員會委員；1951年至1953年任美國數學會主席． 馮•諾伊曼不僅是個數學天才，在其他領域也大有建樹。他精通七種語言，在化學方面也有相當的造詣，曾獲蘇黎世高等技術學院化學系大學學位。更為難得的是，他並不僅僅局限於純數學上的研究，而是把數學套用到其他學科中去。他對經典力學、量子力學和流體力學的教學基礎進行過深入的研究，並獲得重大成果這些都說明諾伊曼具備了堅實的數理基礎，和廣博的知識，為他後來從事計算機邏輯設計提供了堅強的後盾。
1944年，馮•諾伊曼參加核子彈的研製工作，該工作涉及到極為困難的計算。在對原子核反應過程的研究中，要對一個反應的傳播做出“是”或“否”的回答。解決這一問題通常需要通過幾十億次的數學運算和邏輯指令，儘管最終的數據並不要求十分精確，但所有的中間運算過程均不可缺少，且要儘可能保持準確。他所在的洛斯•阿拉莫斯實驗室為此聘用了一百多名女計算員，利用台式計算機從早到晚計算，還是遠遠不能滿足需要。無窮無盡的數字和邏輯指令如同沙漠一樣把人的智慧和精力吸盡。
被計算機所困擾的馮•諾伊曼在一次極為偶然的機會中知道了 ENIAC計算機的研製計畫，從此他投身到計算機研製這一宏偉的事業中，建立了一生中最大的豐功偉績。
1944年夏的一天，正在火車站候車的馮•諾伊曼巧遇戈爾斯坦，並同他進行了短暫的交談。當時，戈爾斯坦是美國彈道實驗室的軍方負責人，他正參與ENIAC計算機的研製工作。在交談中，戈爾斯坦告訴了馮•諾伊曼有關ENIAC的研製情況。具有遠見卓識的馮•諾伊曼為這一研製計畫所吸引，他意識到了這項工作的深遠意義。
幾天之後，馮•諾伊曼專程來到莫爾學院，參觀了尚未竣工的這台龐大的機器，並以其敏銳的眼光，一下子抓住了計算機的靈魂——邏輯結構問題，令年輕的ENIAC的研製者們敬佩不已。
因實際工作中對計算的需要以及把數學套用到其他科學問題的強烈願望，使馮•諾伊曼迅速決定投身到計算機研製者的行列。對業已功成名就的他來說，這樣做需要極大的勇氣，因為這是一個成敗未卜的新征途，一旦失敗，會影響他已取得的名譽和地位。馮•諾伊曼卻以其對新事物前途的洞察力，毅然決然地向此征途邁出了第一步，於1944年8月加入莫爾計算機研製小組，為計算機研製翻開了輝煌的一頁。
馮•諾伊曼以其非凡的分析、綜合能力及雄厚的數理基礎，集眾人之長，提出了一系列優秀的設計思想，在他和莫爾小組其他成員的共同努力下，只經歷了短短的十個月，人類在數千年中積累起來的科學技術文明，終於結出了最激動人心的智慧之花--一個全新的存儲程式通用電子計算機方案（EDVAC方案）誕生了。
馮•諾伊曼以“關於EDVAC的報告草案”為題，起草了長達101頁的總結報告。報告廣泛而具體地介紹了製造電子計算機和程式設計的新思想。報告明確規定，EDVAC計算機由計算器、邏輯控制裝置、存櫧器、輸入和輸出五大部分組成，並闡述了這五個部分的職能和相互關係。這份報告是計算機發展史上一個劃時代的文獻，它向世界宣千：電子計算機的時代開始了。
1945年6月，馮•諾伊曼到美國普林斯頓高級研究所工作，出任ISA計算機研製小組的主任職位。在那裡，他提出了更加完善的設計報告“電子計算裝置邏輯結構初探”。報告中，馮•諾伊曼對EDVAC中的兩大設計思想作了進一步的論證，為計算機的設計樹立了一座里程碑。
設計思想之一是二進制，他根據電子元件雙穩工作的特點，建議在電子計算機中採用二進制。報告提到了二進制的優點，並預言，二進制的採用將大簡化機器的邏輯線路。
實踐證明了諾伊曼預言的正確性。如今，邏輯代數的套用已成為設計電子計算機的重要手段，在EDVAC中採用的主要邏輯線路也一直沿用著，只是對實現邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進。
程式記憶體是馮•諾伊曼的另一傑作。通過對ENIAC的考察，諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點——沒有真正的存儲器。ENIAC只有20個暫存器，它的程式是外插型的，指令存儲在計算機的其他電路中。這樣，解題之前，必需先想好所需的全部指令，通過手工把相應的電路聯通。這種準備工作要花幾小時甚至幾天時間，而計算本身只需幾分鐘。計算的高速與程式的手工存在著很大的矛盾。
針對這個問題，馮•諾伊曼提出了程式記憶體的思想：把運算程式存在機器的存儲器中，程式設計員只需指導機器去存儲器中尋找運算指令，機器就會自行計算，這樣，就不必每個問題都重新編程，從而大大加快了運算進程。這一思想標誌著自動運算的實現，標誌著電子計算機的成熟，已成為電子計算機設計的基本原則。
馮•諾伊曼為計算機的發展道路打通了一道道關卡。儘管長期以來，關於二進制的引入和程式記憶體的發明權一直有爭議，但是，諾伊曼在計算機總體配置和邏輯設計上所做的卓越貢獻掀起了一次計算機熱潮。推動了電子計算機的發展。他無愧於“計算機之父”這一美稱。
馮·諾依曼思想
①用二進制表示數據和指令。 ②指令按執行順序存放在存儲器內，由指令計數器指明要執行的指令所在的地址，一般按順序遞增，也可按運算結果和外部條件而改變。 ③採用存儲程式的方式，程式和數據預先存入同一個存貯器中。 ④由運算器、存儲器、控制器、輸入輸出設備五大部件組成計算機硬體系統。 ⑤機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器來完成。 計算機基本組成及各部件關係如圖所示。圖中實線為數據流，虛線為控制流。 綜上所述，馮·諾依曼機的工作及過程可以概括如下： ①通過輸入設備將原始數據和程式送入到存儲器； ②控制器從存儲器中依次取出指令，並分析其操作碼； ③根據操作碼決定其操作，並根據地址碼取出相應的運算元送往運算器； ④當運算器運算完畢後，將結果送至輸出設備輸出
馮·諾依曼結構
馮·諾依曼結構又稱作普林斯頓體系結構（Princetionarchitecture）。 1945年，馮·諾依曼首先提出了“存儲程式”的概念和二進制原理，後來，人們把利用這種概念和原理設計的電子計算機系統統稱為“馮.諾曼型結構”計算機。馮.諾曼結構的處理器使用同一個存儲器，經由同一個匯流排傳輸。 馮.諾曼結構處理器具有以下幾個特點： 必須有一個存儲器； 必須有一個控制器； 必須有一個運算器，用於完成算術運算和邏輯運算； 必須有輸入和輸出設備，用於進行人機通信。 馮·諾依曼的主要貢獻就是提出並實現了“存儲程式”的概念。由於指令和數據都是二進制碼，指令和運算元的地址又密切相關，因此，當初選擇這種結構是自然的。但是，這種指令和數據共享同一匯流排的結構，使得信息流的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸，影響了數據處理速度的提高。 在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即：取指令、指令解碼和執行指令。從指令流的定時關係也可看出馮·諾依曼結構與哈佛結構處理方式的差別。舉一個最簡單的對存儲器進行讀寫操作的指令，指令1至指令3均為存、取數指令，對馮.諾曼結構處理器，由於取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一匯流排傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成後再進行下一個。
馮·諾依曼原理
計算機系統由硬體系統和軟體系統兩大部分組成。美藉匈牙利科學家馮·諾依曼結構（JohnvonNeumann）奠定了現代計算機的基本結構，其特點是： 1）使用單一的處理部件來完成計算、存儲以及通信的工作。 2）存儲單元是定長的線性組織。 3）存儲空間的單元是直接定址的。 4）使用低級機器語言，指令通過操作碼來完成簡單的操作。 5）對計算進行集中的順序控制。 6）計算機硬體系統由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備五大部件組成並規定了它們的基本功能。 7）彩二進制形式表示數據和指令。 8）在執行程式和處理數據時必須將程式和數據道德從外存儲器裝入主存儲器中，然後才能使計算機在工作時能夠自動調整地從存儲器中取出指令並加以執行。 這就是存儲程式概念的基本原理。
