冯 · 诺依曼结构原理及层次结构分析

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ruochen 发表于 2021/05/14 12:28:17 2021/05/14
【摘要】 冯 · 诺依曼结构原理及层次结构分析

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
    • 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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