冯·诺依曼和他的计算机体系结构


计算机的发展经历了一个世纪发展,在这一个世纪里有许许多多的人为计算机的发展做出了巨大的贡献。其中冯·诺依曼则被称为计算机之父。

冯·诺依曼是美籍匈牙利人,是著名的数学家,计算机科学家,物理学家。是20世纪最著名的数学家之一。甚至是在核武器和生化武器等领域也有建树。

当前计算机主要是基于冯诺依曼体系结构设计的,下面就简单分析一下冯诺依曼体系结构的计算机是如何工作的,首先下面的图就是冯诺依曼体系结构图。

  1. 冯诺依曼体系结构主要由五大部件组成

(1)存储器用来存放数据和程序

(2)运算器主要运行算数运算和逻辑运算,并将中间结果暂存到运算器中

(3)控制器主要用来控制和指挥程序和数据的输入运行,以及处理运算结果

(4)输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式,常见的有键盘,鼠标等

(5)输出设备可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式,如打印机输出,显示器输出等

  1. 冯·诺依曼体系结构特点:

(1)计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示。

(2)指令和数据不加区别混合存储在同一个 存储器 中(硬盘)

(3)顺序执行程序的每一条指令。(重点是“顺序”)

  1. 冯·诺依曼体系结构的计算机必须具备功能:

(1)把需要的程序和数据送至计算机中(复制)

(2)必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力(硬盘)

(3)能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力(ALU)

(4)能够根据需要控制程序的走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

(5)能够按照要求将处理的结果输出给用户。

        4. 冯·诺依曼体系工作原理(CPU工作原理)

  具体过程:

(1)预先把指挥计算机如何进行操作的指令序列(就是程序)和原始数据输入到计算机内存中(拷贝),每条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数,进行什么操作,然后送到什么地方去等步骤。

(2)计算机在执行时,先从内存中取出第一条指令,通过控制器的译码器接收指令的要求,再从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等,然后再按地址把结果送到内存中,如果需要向硬盘等存储设备存储数据,还需要将内存中的该数据存储到硬盘中。接下来取出第2条指令,在控制器的指挥下完成规定操作,依次进行下去,直到遇到停止指令。

(3)计算机中基本上有两股信息在流动,一种是数据,即各种原始数据、中间结果和程序等,另一种信息是控制信息,它控制机器的各种部件执行指令规定的各种操作。

现在的计算机基本以存储器作为中心,如下图所示

但是由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密,通常将它们合起来统称为中央处理器,简称CPU,把输入输出设备简称为I/O设备,这样现代计算机可以认为由三大部分组成:CPU与主存储器可以称为主机,I/O设备称为外部设备,结构图如下

ALU叫做算数逻辑运算单元,用来完成算术逻辑运算。CU(Control Unit)叫做控制单元,用来解释存储器中的指令,并发出各种操作命令来执行指令。ALU和CU是CPU的核心部件。I/O设备也受CU控制,用来完成相应的输入,输出操作

 


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