冯·诺伊曼计算机科学

冯·诺伊曼计算机科学

摘要：

        20世纪40年代，在计算机诞生的初期，计算机主要是被用来进行科学计算的，因此被为“计算机”，但是，现在的计算机的功能已经远远超出了“计算”这项功能，它还可以进行数字、文字、图形、图像以及声音等各种形式的数据处理，并且能够按照最初的存储程序，高效地对数据进行输入、处理、输出和存储。学习掌握以计算机为核心的信息技术的基础知识，是现代大学生必备的基本技能，也是当代大学生必需的应用能力。

关键词：计算机  冯·诺伊曼  生命科学

        从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构，人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰，所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，美国科学家冯·诺伊曼大胆的提出抛弃十进制采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。1945年3月，冯·诺伊曼在共同讨论的基础上起草了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”–EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），他对世界上第一台电子计算机ENIAC（电子数字积分计算机）的设计提出过建议，这对后来计算机的设计有决定性的影响，特别是确定计算机的结构，采用存储程序以及二进制编码等，至今仍为电子计算机设计者所遵循，1946 年2月，世界上第一台电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)在美国宾夕法尼亚大学研制成功。冯·诺伊曼被称为“计算机之父”，他和他的同事们研制了电子计算机EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)，提出了存储程序控制原理的数字计算机结构，并在EDVAC中采用了这一原理，其基本结构一直沿用到今天，对后来的计算机的体系结构和工作原理具有重大的影响。【1】ENIAC的研制成功在计算机的发展史上具有划时代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的到来，标志着人类计算工具的新时代开始了，标志着世界文明进入了一个崭新的时代。

        计算机的出现和发展使人类社会得到了前所未有的进步，目前计算机已经广泛应用于社会的各行各业，逐渐地改变着人们的工作、学习与生活的方式。冯·诺伊曼计算机，这是一个为储存信息与控制系统特别设计的机器，是控制程序模拟人的目的性行为最有力的表现形式，他的计算机系统是现代目的论思想控制论思想的机器实现。这台电子计算机的重要意义在于把计算、推理包括在内的思维过程的机械化与自动化。 冯·诺伊曼非常重视计算机逻辑控制的研究，晚年的他曾经预言，在将来，科学将更关注控制、程序、信息过程、信息、组织和系统，而他研究数字计算机的一个目的就是为研究这些主题提供机遇，他希望他的理论是去研究人造自动机和自然系统，譬如细胞、神经系统、大脑的控制、信息与逻辑方面的问题，找出它们相类似的要素，将引向我们所熟悉的领域。即，为了理解世界，先寻找能帮助达到理解的线索，而这个线索就是一个已知事实的域，并借助它去理解其他的域。【2】

        在研究计算机时，冯·诺伊曼曾强调一台计算机的“逻辑控制”对于它的“尽可能地接近通用”是至关重要的。一个系统的发展方向，取决于该系统的预见性。为了预见 EDVAC 的普适性，他不是应用数字处理，而是要有效地给数据分类。据此冯·诺伊曼大致为将程序和数据通过输入设备送入存储器，启动运行之后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要求执行的具体事件，接着控制器根据指令发出相应的命令，将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中，当运算任务完成之后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出或跳转其它工作。

        从算法的角度来看，一个问题是不是可以被计算的，在于这个问题是不是具有相应的算法，显然计算机具有可计算的特征。冯·诺伊曼提出了真正可行的通用电子计算机逻辑系统设计，从物理上实现了“图灵通用机”思想。冯·诺伊曼以二进制代替十进制，采用二进制形式表示数据和指令，将程序预先存放在主存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行，进一步提高电子元件的运算速度，并且把程序放在计算机内部的存储器中，解决了当时计算机内外联系不便的问题。程序员应该就是用这些操作来编译解题的程序，当计算机运行时，控制单元从存储器中取出程序中的一条指令，解释指令接着执行指令，按这些指令对某个数据进行某种运算。冯·诺伊曼的朋友兼合作者乌拉姆曾作出这样的评价：“计算机源出于科学发展和技术发展的汇合点。一方面是在数理逻辑、数学基础，对形式系统详尽研究等方面的工作。在这些领域，冯·诺伊曼起着举足轻重的作用。”【3】

        其实，不仅仅是计算机具有可计算的特征，生命以及世界也具有计算特征。冯诺·伊曼对自然自动机与人造自动机的研究，把自然自动机的一些机理用于计算机的研究，实际上是通过控制沦的方法。他曾说；“我将把生物有机体作为纯数字化自动机来考虑。”【4】他了解生物系统的机理，摸索生物系统的自身调节作用，各种信息对该系统的影响，以及当系统失去稳定时如何寻求最优控制规律，来使系统恢复到原来稳定状态等，这实际上就是生物医学原理、医学控制论研究的内容，了解感觉讯号的接受，神经系统中的编码，大脑皮层对讯号的识别和控制等，是神经控制论研究的内容。冯·诺伊曼的计算机理论是在现代目的论发展的进程中产生的，他不仅注意到计算机与生物之间的相似性与差异性，还把大脑神经系统的工作机制应用于计算机、自动机的设计与构造，从而建立了一种目的论自动机理论。冯·诺伊曼通过把目的性赋予无生命的机器，突破生命与非生命的界限，就为自动控制装置模拟人的目的性行为找到可行的机制和方法。由此看来，生命的本质实际上的确不过是一种算法，这种算法的运行就能表现出生命。但是，这种研究范围的限制使得研究者对于形形色色的问题很难获得突破性的发展，这样可行的机制和方法是分离还是融合研究又将是一个全新的有待解决的问题，到底是机器模仿有机体的权重大些，还是机器被赋予的生命更有实用价值，值得深入去思考。

        人工生命的许多研究就是通过计算机编程，也就是用寻找计算、算法的方法来揭示生命背后的本质。在最短的时间内透过纷繁芜杂的现象，单刀直入，抓住问题的核心与结症，这大概就是学术界的学术精神。没有学习就没有研究，没有研究就不会有突破，更不能发现问题并及时反思问题的局限性，所以，世界等待我们去探索，需要我们去创新，生于斯时，长于斯境。

【1】远新蕾、刘陶唐、许静.《计算机导论》，清华大学出版社2018年版,第1页。

【2】李健会.《走向计算主义——数字时代人工创造生命的哲学》，中国书籍出版社2004年版，第204页。

【3】S.M. 乌拉姆. 《 一位数学家的经历》（朱水林等译），上海科学技术出版社1989年版，第174页。

【4】A.H. Taub. 《von Neumann Collected Works Vol》. V, Pergamon Press, 1963.297。