冯·诺依曼结构及其主要思想【计算机系统基础01】

冯·诺依曼结构，让每一位学习计算机系统基础的学生印象深刻，因为它是现代计算机的基础，是计算机系统知识架构中所绕不开的重要组成部分。计算机系统基础的学习，也从冯诺依曼结构开始。

世界上第一台通用电子计算机ENIAC

故事要从1946年开始，那时，为解决复杂的弹道计算问题，宾夕法尼亚大学研制出了世界上第一台通用电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer），它有如下特点：

占地170平方米，重达30吨由18000多个电子真空管组成，耗电160千瓦
每秒可完成5000次加法
可用于进行平方，立方，sin，cos等运算
用十进制表示信息并运算采用手动编程，通过设置开关和插拔电缆来实现

这台机器正式运行到1955年10月2日，十年间共运行了80223个小时

冯·诺依曼的故事

冯·诺依曼（1903年12月28日-1957年2月8日）匈牙利裔美籍数学家，计算机科学家，物理学家。

1944年冯·诺依曼参加原子弹的研制工作，其中涉及到了极为复杂的问题
1944年夏，冯·诺依曼巧遇美国弹道实验室的军方负责人戈尔斯坦，他正在参与ENIAC的研制工作
冯·诺依曼被戈尔斯坦介绍进入ENIAC研制组，由于ENIAC存在相应的问题（如没有存储器），1945年，冯·诺依曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告，发表了全新的“存储程序通用计算机方案”——即EDVAC
冯·诺依曼所在的普林斯顿高等研究院（IAS）批准其依照该方案建造计算机

现代计算机的原型

1946年起，IAS开始设计“存储程序”计算机，1951年完成，其被称为IAS计算机（ps：它不是第一台存储程序计算机，第一台存储程序计算机是由1949年英国剑桥大学所完成的EDSAC）

在冯·诺依曼提出的“存储程序通用电子计算机方案”的总结报告中，其提出的结构被称为冯诺依曼结构，而冯诺依曼结构最重要的思想就是“存储结构（Stored-program）”

存储结构的工作方式为：任何计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令任务。

冯·诺依曼结构计算机也成冯·诺依曼机器，几乎现代所有通用计算机都采用冯·诺依曼结构，因此IAS计算机是所有计算机的原型机。

冯·诺依曼结构：

主存—存放程序和数据
有一个自动逐条取指令的部件
有一个具体执行指令的部件
程序由指令构成
指令描述如何对数据进行处理
有将程序和原始数据输入计算机的部件
有将运算结果输出计算机的部件

IAS计算机结构如下：

分解结构如下：
一、控制器

二、主存储器：

三、运算器：

四、输入设备/五、输出设备：

IAS结构抽象示意图：

数据输入输出的流程大致为：程序和数据通过输入设备输入到存储器，存储器内一条一条指令送入控制器进行译码，输出相应的控制信号控制所有其他设备动作，同时存储器里面的数据送到运算器，在控制信号的控制下进行运算，运算的结果还是送到存储器，最终把存储器的信息，即运算的结果送到输出设备，通过输出设备输出到计算机的外部。

早期，部件之间采用分散方式相连
现在，部件之间采用主线方式相连

总结

冯·诺依曼结构的主要思想：

1、计算机应由运算器、控制器、存储器、输入输出设备五个基本部件组成

2、各基本部件的功能为：

存储器不仅存放数据，而且还可以存放指令，形式上两者没有区别（都是01序列），但计算机应能区分数据还是指令
控制器应能自动取出指令来执行
运算器应能进行加/减/乘/除四种基本运算，并且能进行一些逻辑运算和附加运算
操作人员可通过输入输出设备和主机进行通信

3、内部以二进制表示指令和数据（ENIAC是十进制表示指令和数据，而IAS计算机采用的是二进制），每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出指令的操作类型（例如加法、减法、传送、跳转等），地址码指出操作数的地址。一个指令实际上是由一串01序列组成，每串01序列串起来，就组成了一个程序，最终会发现整个程序就是一个01序列。

4、采用“存储程序”的工作方式