计算执行自动化

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只有计算执行的全过程能实现自动化,才能发挥计算机强大无比的计算功能。电子计算机的诞生,为计算的自动化执行提供了物质基础。

世界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”( ENIAC),诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学,并于次日正式对外公布。承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利等组成,总工程师埃克特在当时年仅24岁。但是,“电子计算机之父”的桂冠,却戴在数学家 冯·诺依曼(J. Von Neumann)头上,而不是ENIAC的实际研究者,其原因是冯·诺依曼提出了现代电脑的体系结构。

1944年夏,ENIAC的军方负责人戈德斯坦中尉在阿贝丁车站等候去费城的火车,偶然邂逅数学家冯·诺依曼教授。戈德斯坦告诉他莫尔学院的电子计算机项目,他向戈德斯坦表示,希望亲自到莫尔学院看看那台正在研制之中的机器。从此,冯·诺依曼成为了莫尔小组的实际顾问,与小组成员频繁地交换意见,并逐步形成电子计算机的系统设计思想。在ENIAC尚未投入运行前,冯·诺依曼就看出这台机器致命的缺陷,主要弊端是程序与计算分离。程序指令存放在机器的外部电路里,需要计算某个题目,必须首先用人工接通数百条线路,需要几十人干好几天之后,才可进行几分钟运算。冯·诺依曼决定起草一份新的设计报告,对电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写是“EDVAC”。

1945年6月,冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人,联名发表了一篇长达101页纸的报告,即计算机史上著名的“101页报告”,直到今天,仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件(运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备),并用二进制替代十进制运算。

EDVAC方案的革命意义在于“存储程序”,以便电脑自动依次执行指令。人们后来把这种“存储程序”体系结构的机器统称为“冯·诺依曼机”。

“存储程序”的原理是:将根据特定问题编写的程序存放在计算机存储器中,然后按存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令,以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令,直至程序结束执行。存储程序的概念将机器所执行的步骤都存入作为计算机一部分的控制单元中,这是一个非常大的进步。

冯·诺依曼机器工作过程是:当开启电源后,控制器首先从内存中取出第一条指令,分析指令,取操作数,进行运算,写回内存;然后取出第二条指令,分析并操作,如何自动循环执行下去,直到计算结束。

一旦有了存储程序的概念,运算的对象(数据)和运算的指挥者(程序指令)都一视同仁地存储在机器的存储器中,只是他们的存储地址不同而已。机器一旦通过程序计数器启动运行后,机器就能自动地按照事先输入的应用程序,首先运行哪条指令去存储器哪里取数,运算后再送到存储器哪里去,无需操作员的干预,机器就可自动运行了。