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冯·诺依曼体系结构(von Neumann architecture)

 

小熊:计算机里藏着什么呢?
小燕:星辰大海。
小狸:好吃的。

冯·诺依曼体系结构是由1946年美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出的,是一种将程序(指令序列的集合)和数据存放在同一存储器的不同地址的电脑设计概念结构。

第1章 学习方法及工具

现在计算机大多是冯.诺依曼计算机的组织结构,虽有些改进,但还没超出冯·诺依曼型结构。那冯·诺依曼结构是什么呢?

简介

从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺依曼体系结构。所以冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

1.1 学习方法

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1945年,冯·诺依曼提出了“存储程序”的概念,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存储,确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。后来,人们把利用这种概念设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。

发展背景

电子计算机的问世,最重要的奠基人是英国科学家艾兰· 图灵(Alan
Turing)和美籍匈牙利科学家冯· 诺依曼(John Von·
Neumann)。图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型,奠定了人工智能的基础。而冯·
诺依曼则是首先提出了计算机体系结构的设想。

1946年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出存储程序原理,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存储,并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。

半个多世纪以来,计算机制造技术发生了巨大变化,但冯·
诺依曼体系结构仍然沿用至今,人们总是把冯· 诺依曼称为“计算机鼻祖”。

1.2 学习工具

“冯·诺依曼型结构”计算机有五大组成部分:
–运算器+控制器(CPU),存储器(内存),输入设备,输出设备。

体系结构

(1)采用存储程序方式,指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中,数据和程序在内存中是没有区别的,它们都是内存中的数据,当EIP指针指向哪
CPU就加载那段内存中的数据,如果是不正确的指令格式,CPU就会发生错误中断.
在现在CPU的保护模式中,每个内存段都有其描述符,这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读,可写,可执行).这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据)
指令和数据都可以送到运算器进行运算,即由指令组成的程序是可以修改的。

(2)存储器是按地址访问的线性编址的一维结构,每个单元的位数是固定的。

(3)指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型,地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志,它的数据类型由操作码确定。

(4)通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放,由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个,一般按顺序递增,但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。

(5)以运算器为中心,I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。

(6)数据以二进制表示。

1.2.1 笔记类

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CPU

CPU 即 Central Processing Unit (中央处理器)
相当于计算机的大脑,是计算机的运算核心和控制核心。它的内部由数百千万乃至数亿个晶体管构成,可以让计算机的各个部件顺利工作,起到协调和控制作用。

CPU
从外部看是由许多晶体管组成的电子部件,好像没什么区别。不过从功能方面来看,CPU
的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部件组成。

寄存器可用来暂时储存指令、数据等处理对象,根据种类不同,又可以分为
eax、ebp 等若干种,一个 CPU 内部又包含20~100个寄存器。

控制器将内存上的指令、数据等读入寄存器,根据指令的执行结果来控制计算机。

运算器负责运算从内存读取至寄存器的数据。

时钟负责发出 CPU 开始计时的时钟信号。

CPU
运行时,根据时钟信号,控制器从内存读取指令和数据。通过对这些指令加以解释运行,运算器则对数据进行运算,控制器再根据运算结果来控制计算机。

特点

(1)计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示

(2)顺序执行程序计算机运行过程中,把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器(内存),计算机执行程序时,将自动地并按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行,这一概念称作顺序执行程序。

(3)计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

1.2.2 图像类

思维导图软件:xmind(做出的思维导图加深记忆,梳理关系逻辑)

图像处理类:Picpick

存储器

存储器是具有“记忆”功能的设备,能存取各种数据。根据与 CPU
的接近程度,存储器分为内存储器和外存储器,简称内存和外存。内存属于主机的组成部分,而外存属于外部设备,如硬盘。

内存:负责硬盘等硬件上的数据与CPU之间数据交换处理;
缓存系统中的临时数据。需要注意的是,内存断电后数据会丢失。

硬盘:存储资料等数据的设备,其容量大,造价便宜,而且断电后数据不会丢失。


作用

冯.诺依曼体系结构是现代计算机的基础,现在大多计算机仍是冯.诺依曼计算机的组织结构,只是作了一些改进而已,并没有从根本上突破冯体系结构的束缚。冯.诺依曼也因此被人们称为“计算机之父”。然而由于传统冯.诺依曼计算机体系结构天然所具有的局限性,从根本上限制了计算机的发展。

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机,必须具有如下功能:把需要的程序和数据送至计算机中。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。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。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。能够按照要求将处理结果输出给用户。

将指令和数据同时存放在存储器中,是冯·诺依曼计算机方案的特点之一 计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成 冯·诺依曼提出的计算机体系结构,奠定了现代计算机的结构理念。

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冯·诺依曼体系结构

1.2.3 博客

51CTO:注册在里面发布自己的笔记

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计算机里 CPU 与内存、硬盘是怎样的关系?

让我们来看一个例子,编写一个程序,将 123 和 456
两个数值相加,并将结果输出到显示器上。

int a;
a = 123 + 456;
printf("%d",a);

当我们运行程序的时候,CPU 取指令,之后 CPU
告诉硬盘,我要运行你存储的程序A,你把程序A送到内存去。CPU
对内存说,我让硬盘把程序A送到你这里来了,你保存一下。
等程序A被完整的送到内存之后。CPU 就开始执行程序A。

过程就像上面说的,我们举一个接近我们生活的例子。

如果说把硬盘看作一个大仓库,CPU
是加工车间,那么内存就是一个临时仓库。从距离上来说, 相比内存到 CPU
的距离和硬盘到内存的距离,内存和 CPU
的距离更短。所以先将常用的材料放在临时仓库,即用即取。如果需要的材料在临时仓库没找到,就向大仓库抽调,将材料从大仓库移到临时仓库去,之后才将材料从临时仓库送到加工车间加工。这个过程中,材料会存放在临时仓库一段时间,以防再次抽调,节约时间和资源。

让我们再深入一点,看看 CPU 是如何统筹控制的。

依上言,存储指令和数据的内存是通过地址来划分的。CPU
的核心是一个被称作程序计数器(PC)的字大小的储存器。在任何一个时间点上,PC
都指向内存种的某条指令。一个指令和数据通常被储存在多个地址上,但为了方便说明,下图将指令、数据分配在一个地址种。

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地址 0100
是程序开始的地方。计算机将程序从硬盘读入内存,计数器定位程序至地址
0100。CPU 每执行一个指令,程序计数器的值就会自动加1。之后,CPU
的控制器依值读取执行命令。

从计算机通电开始,CPU 一直在不知疲倦地重复执行相同的操作:从 PC
指向的存储器读指令,分析解释指令中的操作码和操作数,执行指令指示的操作,然后更新程序计数器,使之指向下一条指令,重复操作。


参考资料

百度百科

冯诺依曼体系结构

第2章 计算机硬件与组成原理基础

计算机各部件又是怎么连接起来的?

贯穿整个系统的是一组电子管道,称作总线。它负责在各个部件间传递信息。I/O
(输入/输出)设备则是系统与外界沟通的通道。如我们常见的输入设备是鼠标、键盘,输出设备则是显示器。每个
I/O 设备都是通过一个控制器或适配器和 I/O 总线连接起来的。

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首先,CPU
执行程序指令,等待我们输入数据。当我们在键盘键入字符串,如“hello
world”,程序逐一读取字符到寄存器,再把它存放在主存储器中。

当我们敲下回车键时,程序知晓输入结束。然后系统执行一系列指令,这些指令将数据从磁盘拷贝到内存,从而执行指令。数据最终将被输出至显示屏,打印出“hello
world”。

至此,计算机主要部件功能及联系介绍完毕。有些不全面的地方,下次分部件深入介绍内部结构。

2.1 计算机硬件的组成

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