馮·諾依曼和他的計算機體系結構


計算機的發展經歷了一個世紀發展,在這一個世紀里有許許多多的人為計算機的發展做出了巨大的貢獻。其中馮·諾依曼則被稱為計算機之父。

馮·諾依曼是美籍匈牙利人,是著名的數學家,計算機科學家,物理學家。是20世紀最著名的數學家之一。甚至是在核武器和生化武器等領域也有建樹。

當前計算機主要是基於馮諾依曼體系結構設計的,下面就簡單分析一下馮諾依曼體系結構的計算機是如何工作的,首先下面的圖就是馮諾依曼體系結構圖。

  1. 馮諾依曼體系結構主要由五大部件組成

(1)存儲器用來存放數據和程序

(2)運算器主要運行算數運算和邏輯運算,並將中間結果暫存到運算器中

(3)控制器主要用來控制和指揮程序和數據的輸入運行,以及處理運算結果

(4)輸入設備用來將人們熟悉的信息形式轉換為機器能夠識別的信息形式,常見的有鍵盤,鼠標等

(5)輸出設備可以將機器運算結果轉換為人們熟悉的信息形式,如打印機輸出,顯示器輸出等

  1. 馮·諾依曼體系結構特點:

(1)計算機處理的數據和指令一律用二進制數表示。

(2)指令和數據不加區別混合存儲在同一個 存儲器 中(硬盤)

(3)順序執行程序的每一條指令。(重點是“順序”)

  1. 馮·諾依曼體系結構的計算機必須具備功能:

(1)把需要的程序和數據送至計算機中(復制)

(2)必須具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力(硬盤)

(3)能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力(ALU)

(4)能夠根據需要控制程序的走向,並能根據指令控制機器的各部件協調操作。

(5)能夠按照要求將處理的結果輸出給用戶。

        4. 馮·諾依曼體系工作原理(CPU工作原理)

  具體過程:

(1)預先把指揮計算機如何進行操作的指令序列(就是程序)和原始數據輸入到計算機內存中(拷貝),每條指令中明確規定了計算機從哪個地址取數,進行什么操作,然后送到什么地方去等步驟。

(2)計算機在執行時,先從內存中取出第一條指令,通過控制器的譯碼器接收指令的要求,再從存儲器中取出數據進行指定的運算和邏輯操作等,然后再按地址把結果送到內存中,如果需要向硬盤等存儲設備存儲數據,還需要將內存中的該數據存儲到硬盤中。接下來取出第2條指令,在控制器的指揮下完成規定操作,依次進行下去,直到遇到停止指令。

(3)計算機中基本上有兩股信息在流動,一種是數據,即各種原始數據、中間結果和程序等,另一種信息是控制信息,它控制機器的各種部件執行指令規定的各種操作。

現在的計算機基本以存儲器作為中心,如下圖所示

但是由於運算器和控制器在邏輯關系和電路結構上聯系十分緊密,通常將它們合起來統稱為中央處理器,簡稱CPU,把輸入輸出設備簡稱為I/O設備,這樣現代計算機可以認為由三大部分組成:CPU與主存儲器可以稱為主機,I/O設備稱為外部設備,結構圖如下

ALU叫做算數邏輯運算單元,用來完成算術邏輯運算。CU(Control Unit)叫做控制單元,用來解釋存儲器中的指令,並發出各種操作命令來執行指令。ALU和CU是CPU的核心部件。I/O設備也受CU控制,用來完成相應的輸入,輸出操作

 


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