冯诺依曼体系的认识、来源、原理、组成、功能和特点

目录

一.认识冯诺依曼

二.冯诺依曼体系结构的来源

三.冯诺依曼体系结构计算机

3.1工作原理

3.2组成部件

3.3功能和特点

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 本章讲解内容：冯诺依曼体系结构

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一.认识冯诺依曼

        计算机的祖师爷 -----> 冯诺依曼冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日）, 美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。冯·诺依曼是布达佩斯大学数学博士，在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”.

问：为什么他会是祖师爷？
原因：

1. 因为他在计机科学和计算机体系结构的发展中起到了重要的作用，冯·诺依曼是现代计算机体系结构的奠基人之一。
2. 他提出了现代计算机的关键概念，如存储程序概念、指令执行顺序、存储器层次结构等。这些概念对于计算机的设计和发展产生了深远的影响，成为了计算机科学的基础。
3. 参与了EDVAC计划，提出了存储程序概念，并对计算机的逻辑设计做出了重要贡献。
4. 冯·诺依曼参与了世界上第一台存储程序式电子计算机ENIAC的设计和开发工作，为计算机技术的进一步发展奠定了基础
5. ............ 

  二.冯诺依曼体系结构的来源

        在20世纪初，物理学和电子学科学家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。而冯诺依曼 大胆的提出来 以二进制作为数字计算机的数制基础，然后预先编制计算程序，由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

   冯诺依曼理论的要点：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序的顺序执行。

        冯诺依曼理论 又被人们称为 冯诺依曼体系结构，从ENIAC到当前最先进的计算机都是采用了冯诺依曼体系结构。

三.冯诺依曼体系结构计算机

3.1工作原理

冯·诺依曼体系结构计算机的工作原理由两大部分组成，存储程序和程序控制。

存储程序：将程序存放在计算机的存储器中，后才能供CPU访问；

程序控制：将存放在存储器中的程序按指令地址访问存储器并取出指令， 经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算的控制完成指令的功能。

3.2组成部件

        冯·诺依曼体系构成的计算机必须具备五大基本部件，但计算机需要存储各种各样的数据，因此我们还需要4大数据寄存器。

五大基本部件：

1. 存储器（Memory）：用于存储程序指令和数据。
2. 运算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）：用于执行算术和逻辑运算。
3. 控制器（Control Unit, CU）：协调和控制计算机的各个部件，解码并执行指令。
4. 输入设备（Input Devices）：用于将外部数据输入到计算机中，例如键盘、鼠标、传感器等。
5. 输出设备（Output Devices）：用于将计算机处理结果输出给用户或其他设备，例如显示器、打印机、扬声器等。

注：CPU中央存储器，负责执行程序指令和处理数据。CPU包括算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和控制单元（Control Unit，CU）两个主要部分。 

额外补充：

1. 对于存储空间：硬盘>内存>>cpu
2. 对于数据访问速度：cpu>内存>硬盘

四大数据寄存器：

1. 程序计数器（Program Counter, PC）：用于存储当前正在执行的指令的地址。
2. 指令寄存器（Instruction Register, IR）：用于存储当前正在执行的指令。
3. 存储器地址寄存器（Memory Address Register, MAR）：用于存储要访问的内存地址。
4. 存储器数据寄存器（Memory Data Register, MDR）：用于存储从内存中读取或写入的数据。

3.3功能和特点

当一台计算机拥有了以上的部件，可以实现很多功能 

根据 冯诺依曼体系构成的计算机 需要具有五大功能：

1. 能把需要的程序和数据送至计算机中；
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；
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；
4. 能够根据需要控制程序走向，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结果输出给用户。

冯诺依曼体系是现代计算机体系结构的基础，它的特点包括：

1. 存储程序：冯诺依曼体系将程序和数据存储在同一存储器中，程序可以被视为数据的一种形式。这种存储程序的结构使得计算机能够按照程序的顺序逐条执行指令。

2. 指令流和数据流分离：冯诺依曼体系中，指令和数据在存储器中是分开存储的。指令流用于控制计算机的操作，而数据流用于进行计算和存储结果。

3. 顺序执行：冯诺依曼体系的计算机按照顺序执行指令，每条指令都会被解码并执行。这种顺序执行的方式使得计算机能够按照用户的要求一步一步地完成任务。

4. 存储器层次结构：冯诺依曼体系中，存储器分为不同级别，包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器。不同级别的存储器具有不同的访问速度和容量，可以根据需要进行数据的存取和传输。

5. 单一总线结构：冯诺依曼体系的计算机使用单一总线结构来连接各个组件，包括处理器、存储器和外部设备。通过总线，这些组件可以进行数据和控制信号的传输。

6. 以二进制形式表示数据和指令：冯诺依曼体系中，计算机使用二进制形式表示数据和指令。这种二进制表示方式简化了计算机的设计和操作。

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