冯 · 诺依曼结构计算机工作原理及层次结构分析

<1> 冯 · 诺依曼简介

• 提出"离散变量自动电子计算机方案" - EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)
• 计算机之父
• 20世界最重要的数学家之一
• 美国科学院院士（现代计算机、博弈论等领域重大贡献）

<2> 冯 · 诺依曼计算机的工作原理

• 存储程序
  • 将程序存放在计算机的存储器中
  • 存储系统构建与快速访问
• 程序控制
  • 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
  • 指令系统、控制器设计等

<3> 冯 · 诺依曼计算机的组成（硬件+软件）

1. 硬件系统（总体图）

• 主机：CPU(运算器 + 控制器)、内存
• 外设：输入设备、输出设备、外存储器
• 总线：地址线、数据线、控制线

（1）硬件系统 - 运算器

• 算数运算：加、减、乘、除法等
• 逻辑运算：与、或、非、移位等
• 基本结构
  • ALU（Arithmetic Logical Unit）：算术逻辑运算单元
  • 寄存器
  • 连接通路

注重功能与结构的关系 — 指令、数据类型、性能要求等等

（2）硬件系统 - 控制器

• 产生指令执行过程所需要的所有控制信号，控制相关功能部件执行相应操作
• 控制信号的形式
  • 电平信号
  • 脉冲信号
• 产生控制信号的依据
  • 指令
  • 状态
  • 时序
• 控制信号的产生方式
  • 微程序
  • 硬布线

（3）硬件系统 - 存储器

• 功能
  • 存储原程序、原数据、运算中间结果
• 工作方式
  • 读/写
• 工作原理
  • 按地址访问，读/写数据

（4）硬件系统 - 输入/输出设备

• 输入设备
  • 向计算机输入数据(键盘、鼠标、网卡、扫描仪等)
• 输出设备
  • 输出处理结果(显示器、声卡、网卡、打印机等)

2. 软件系统

对软件的理解

• 可运行的思想和内容的数字化
  思想：算法、规律、方法 — 程序表达
  内容：图形、图像、数据、声音、文字等被处理的对象
• 软件的表现形式：程序和数据(以二进制表示的信息)
• 软件的核心：算法

• 系统软件
  • 如操作系统、网络系统和编译系统
• 支持软件
  • 开发工具、界面工具
• 应用软件
  • 字处理软件：office
  • 游戏软件

3. 硬件与软件系统间的关系

• 相互依存
  • 硬件是软件运行的基础
  • 软件的正常运行是硬件发挥作用的重要途径
• 逻辑等效性
  • 某些功能既可有硬件实现，也可由软件实现
• 协同发展
  • 软件随硬件技术的迅速发展而发展
  • 软件的不断发展与完善又促进硬件的更新
  • 两者密切地交织发展，缺一不可

<4> 计算机的层次结构

• 不同用户处在不同层次
• 不同层次具有不同属性
• 不同层次使用不同工具
  
• 不同层次的代码效率不同

1. 透明性概念

• 本来存在的事物或属性，从某个角度去看，却好像不存在
• 如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性

2. 系统观

• 当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响
• 不同类型的软件对硬件有不同的要求
• 编程的CPU硬件相关性，编程应查阅对应CPU的编程手册

3. 软硬件的分界线

• 分界线在哪里？
  • 指令集架构层
• 分界线即软、硬件的接口，是指令操作硬件的接口
• 指令格式及指令的设计与硬件关联
  程的CPU硬件相关性，编程应查阅对应CPU的编程手册

3. 软硬件的分界线

• 分界线在哪里？
  • 指令集架构层
• 分界线即软、硬件的接口，是指令操作硬件的接口
• 指令格式及指令的设计与硬件关联

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