20世纪40年代，第二次世界大战爆发。当时武器装备落后，美军需要更精准、更有威力的火炮，但这会涉及大量复杂的运算。由于战争，为数不多的研究人员根市没时间慢慢地计算。于是，军方委托宾夕法尼亚大学的约翰·莫 克利(John Mauchly)博士和他的学生约翰·埃克特(John  Eckert)研制能够进行快速计算的计算机。

第一代电子计算机

　　为了提高机器的计算速度，莫克利和他的学生用电子管代替了继电器， 实现了数字开关电路，并将这台设备取名为“电子数字积分器与计算器” (Electronic Numerical Integrator and Calculator),简称“ENIAC”。这一改变， 让人类进入了电子时代。

　　ENIAC 是个庞然大物，它长30.48 米，宽6米，高2.4米，占地面积约 170平方米，能在1秒内进行5000次 加法运算或400次乘法运算，计算速 度是当时使用继电器的机电式计算机的 1000倍、人工计算的20万倍。当时英 国的蒙巴顿(Louis Mountbatten) 元帅把ENIAC 誉为“一个电子的大脑”, “电脑”一词由此而来。

　　然而，从技术上来讲，ENIAC 还未正式投入使用就几乎过时了。因为在它之前，一份新型电子计算机的设计报告已经出炉。这份设计报告的起草人之一 就是20世纪的天才数学家冯 ·诺依曼。

　　冯 ·诺依曼时任弹道研究所顾问， 他原本想利用ENIAC来解决一些问题， 但发现ENIAC 被设计成了一台专门计 算火炮弹道轨迹的计算机，并不是什么 计算都能进行。为了解决计算机通用性 的问题，冯 ·诺依曼和莫克利、埃克 特一起提出了另外一台计算机的新方 案  EDVAC, 这台计算机彻底解决安装在弹道研究所实验室的 EDVAC

控制器

输入设备

运算器

存储器

冯 ·诺依曼设计 的电子计算机的 五大“器官”

EDVAC的出现也意味着一种新的系统结构的诞生，这种结构被后人称为“冯 ·诺依曼系统结构”。

电子计算机的五大“器官”

　　我们知道，任何事物都由特定的结构组成，比如人体是由各个器官组成的， 而计算机的系统结构就是计算机的器官系统。冯 · 诺依曼认为计算机必须由五大部件组成，缺一不可，那就是必须有一个存储器；必须有一个控制器；必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算,必须有输入设备；必须有输出设备。

       冯 · 诺依曼结构相对于ENIAC 结构的本质区别，是控制计算机运行的指令的存储位置不同。 ENIAC 的指令存储 于计算机外，通过改变电路接线来人工 设定指令。比如，ENIAC 计算一道题， 埃克特必须分配几十个人把上百条线路 接通， 一道运算需要好几个小时甚至一 天才能计算出来，如果再计算，又要重 新连线。而冯 · 诺依曼把指令存储到了计算机的存储器里面，只要输入一个初 始命令，控制器就可以把指令提取出来 计算一道题轻而易举。

　　于是，这种高效率的计算机系统逐渐被人们沿用，就连我们现在用的奔腾、 英特尔等芯片都是它的“后人”。今天大多数的计算机还是基于这种结构。冯 · 诺依曼还摒弃了十进制，选用二进制来表达计算机程序和数据。冯 · 诺依曼结构为电子计算机的逻辑结构奠定了基 础，成为计算机设计的基本原则。冯 · 诺依曼也当之无愧地成为现代电子计算机之父。

计算机工作过程

　　如果把冯 ·诺依曼结构跟一个加工厂类比：控制器相当于工厂的总经理，协调各部门顺利工作；指令就像工单； 存储器相当于仓库；数据就像原材料和 加工完成的工件；输入和输出设备相当 于物流部门；寄存器相当于一块用于临 时存放的空地；那么,运算器就相当于加工车间。

　　一个加工厂的运转过程大概是这样的：总经理接到订单后，先取出附带加 工程序的工单，根据工单领到原材料， 送入车间按照程序进行加工，加工完成 后打包存放，然后运出。

　　相应地，计算机的工作程序也可以是这样：将解题的步骤编成若干指令(也 叫“程序”),通过输入端口存放在计算机的存储器中；控制器接到初始命令，根据地址 从存储器中读出指令；控制器根据当前指令，从存储器 中取出数据，传送到计算器中；计算得到的结果被寄放在寄存器 或送回存储器；重复这一操作进行下一步计算，直到程序中指令执行完毕；最终的计算结果从输出端口输出。在这里你也许已经注意到，冯 · 诺依曼系统有一个先来后到的原则。

　  执行程序时，控制器按照程序指定的 逻辑顺序逐条把指令和数据从存储器 中取出并加以执行。访问存储器时必须严格按照地址顺序，从头至尾进行查找访问。并且每次只能对一个存储 单元进行操作，而无法一次性取出，等所需数据全部就绪后指令才能得以执行。也就是说，加工车间有时候会停工， 大家都在仓库外面排队领原料。这样就限制了运算速度，从而降低了计算机工作的效率。

　冯 ·诺依曼结构的局限性束缚了现代计算机的进一步发展，科学家已经开 始寻求非冯 ·诺依曼结构的新体系，神 经计算机、量子计算机、 DNA计算机 也应运而生。它们会不会在不远的将来开启一个新计算机时代呢?