冯·诺依曼和图灵：计算机科学的两位先驱

冯·诺依曼和图灵：计算机科学的两位先驱

计算机科学的发展离不开众多科学家的贡献，其中冯·诺依曼和图灵无疑是最重要的两位。冯·诺依曼提出了存储程序原理，奠定了现代计算机体系结构的基础；图灵则提出了图灵机的概念，为计算理论的发展开辟了道路。本文将详细介绍这两位计算机科学先驱的生平和主要成就。

一、冯·诺依曼

说到计算机发展，不能不提到美籍匈牙利科学家冯·诺依曼。从20世纪初，物理学和电子学科学家们就开始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。因人们习惯用“十进制”计数方法，所以当时采用“十进制”研制模拟计算机的呼声更高。

冯·诺依曼于1945年提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存,其理论要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。

从世界上第一台通用计算机埃尼阿克（ENIAC)到当前最先进的计算机采用的都是冯·诺依曼体系结构，冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

1903年，冯诺伊曼出生于匈牙利的一个犹太家庭，他从小就表现出了数学和记忆方面的天才，八岁时就掌握了微积分，不到18岁，已经被大家公认为数学家了。 在1940年以前，冯诺伊曼主要是进行理论性数学研究，取得了非常骄人的成就，1940年以后，他转向应用数学，在力学，经济学，数值分析和电子计算机方面都做出了杰出的贡献，无愧是上世纪最伟大的全才之一。 1944年，冯诺伊曼参加原子弹的研制工作，在这个过程中，需要用到大量的计算，他们虽然雇用了一百多名计算员，但依然不能满足需要，一个偶然的机会，他接触到了ENIAC计算机研制工作，他敏锐的意识到了这项工作的深远意义，于是，他全力参与其中，发表了一个全新的存储程序通用电子计算机方案——EDVAC，并起草发表了一份长达101页的总结报告，这份报告是计算机历史上一个划时代的文献，它宣告着电子计算机的时代开始了。

二、冯·诺依曼体系结构

（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。

（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

（3）数据以二进制代码表示。

（4）指令由操作码和地址码组成。

（5）指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。

（6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。

现代计算机系统结构有了很大新发展，但原则上变化不大，习惯上仍称之为冯·诺依曼机。

三、图灵与图灵机

艾伦·麦席森·图灵（英语：Alan Mathison Turing，1912年6月23日~1954年6月7日），英国计算机科学家、数学家、逻辑学家、密码分析学家、理论生物学家，“计算机科学之父”、“人工智能之父”，英国皇家学会院士。

艾伦·麦席森·图灵于1935年当选为剑桥大学国王学院研究员；1936年提出被称为图灵机的逻辑机通用模型；1938年获普林斯顿大学博士学位；1939年开始在英国军方工作，期间破解德国密码系统恩尼格玛密码机和金枪鱼密码机，加速了盟军取得了二战的胜利；1946年获大英帝国勋章；1945年—1948年在伦敦泰丁顿国家物理实验室负责自动计算引擎（ACE）的研究工作 ；1948年任曼彻斯特大学高级讲师、自动数字计算机（Madam）项目的负责人助理；1949年任曼彻斯特大学计算机实验室副主任；1950年提出机器具备思维的可能性和“图灵测试”的概念 ；1951年当选为英国皇家学会院士。

图灵机

1936年，图灵发表了一篇论文《论可计算的数及其在密码问题中的应用》，首次提出逻辑机的通用模型，人们把这个模型机称为图灵机。图灵机是一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看做等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。

图灵机不是一种具体的机器，而是一种思想模型；虽然简单但运算能力极强，可以计算出所有想象到的可计算函数。它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带的方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。

经典的计算机实际上就是一个通用的图灵机，冯·诺依曼计算机是图灵机的一种物理化。图灵机被公认为现代计算机的原型，这台机器可以读入一系列的0和1 ，这些数字代表了解决某些问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。虽然图灵机只是一种理论的计算模型，但图灵的这一创新思想奠定了整个现代计算机的理论基础。

图灵测试

附：图灵奖

图灵奖（Turing Award），全称A.M.图灵奖（ACM A.M Turing Award），是由美国计算机协会（ACM）于1966年设立的计算机奖项，名称取自艾伦·麦席森·图灵（Alan M. Turing），旨在奖励对计算机事业作出重要贡献的个人 。图灵奖对获奖条件要求极高，评奖程序极严，一般每年仅授予一名计算机科学家。图灵奖是计算机领域的国际最高奖项，被誉为“计算机界的诺贝尔奖”。奖金通常由计算机界的一些大企业提供。