第二次世界大战期间,冯·诺依曼提出的逻辑和计算机思想指导设计并制造出历史上的第一台通用电子计算机。他的计算机理论主要受自身数学基础影响,且具有高度数学化、逻辑化特征,对于该理论,一般会叫作“计算机的逻辑理论”。其逻辑设计具有以下特点:

①将电路、逻辑两种设计进行分离,给计算机建立创造最佳条件。

②将个人神经系统、计算机结合在一起,提出全新理念,即生物计算机。

即便ENIAC机是通过当时美国乃至全球顶尖技术实现的,但它采用临时存储,故而缺点较多,比如存储空间有限、程序无法存储等,且运行速度较慢,具有先天不合理性。冯·诺依曼以此为前提制订以下优化方案:

①用二进制进行运算,大大加快了计算机速度。

②存储程序,也就是通过计算机内部存储器保存运算程序。如此一来,程序员仅仅通过存储器写入相关运算指令,计算机便能立即执行运算操作,大大加快运算效率。

③提出计算机由五个部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

最终冯·诺依曼体系结构就是其所提出的计算机制造的三个基本原则,即采用二进制逻辑、程序存储和程序控制以及计算机由五个部分组成(运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备)。

现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储,共享数据,顺序执行”,需要CPU从存储器取出指令和数据进行相应的计算。主要特点有:

①单处理机结构,机器以运算器为中心;

②采用程序存储思想;

③指令和数据一样可以参与运算;(www.daowen.com)

④数据以二进制表示;

⑤将软件和硬件完全分离;

⑥指令由操作码和操作数组成;

⑦指令顺序执行。

但冯·诺依曼体系结构也存在局限性,例如,CPU与共享存储器间的信息交换的速度成为影响系统性能的主要因素,而信息交换速度的提高又受制于存储元件的速度、存储器的性能和结构等诸多条件。归纳起来如下所述:

①指令和数据存储在同一个存储器中,形成系统对存储器的过分依赖。如果存储元件的发展受阻,系统的发展也将受阻。

②指令在存储器中按其执行顺序存放,由指令计数器PC指明要执行的指令所在的单元地址,然后取出指令执行操作任务。指令的执行是串行,这影响了系统执行的速度。

③存储器是按地址访问的,地址采用线性编址且属于一维结构,这样利于存储和执行机器语言指令,适用于作数值计算。但是,高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量,按名字调用变量,不按地址访问。机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔,称为“冯·诺依曼语义间隔”。消除语义间隔成了计算机发展面临的一大难题。

④冯·诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的,目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度,而非数值处理应用领域发展缓慢,需要在体系结构方面有重大的突破。

⑤传统的冯·诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是执行指令代码对数值代码进行处理,只要指令明确,输入数据准确,启动程序后自动运行而且结果是预期的。一旦指令和数据有错误,机器不会主动修改指令并完善程序。而人类生活中有许多信息是模糊的,事件的发生、发展和结果是不能预测的,现代计算机的智能还无法应对如此复杂的任务。