【冯诺依曼结构】
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幼儿园老大*
发表于 2024/10/29 21:34:47
2024/10/29
【摘要】 定义冯・诺依曼结构（Von Neumann architecture）也称为普林斯顿结构，是一种将程序指令和数据存储在一起的计算机体系结构。它是现代计算机的基础架构，其核心设计思想是 “存储程序” 概念。主要组成部分运算器（Arithmetic - Logic Unit，ALU）功能：运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件。它能够进行加、减、乘、除等算术运算，以及与、或、非、异或等逻辑...
- 定义
- 冯・诺依曼结构（Von Neumann architecture）也称为普林斯顿结构，是一种将程序指令和数据存储在一起的计算机体系结构。它是现代计算机的基础架构，其核心设计思想是 “存储程序” 概念。
- 主要组成部分
- 运算器（Arithmetic - Logic Unit，ALU）
- 功能：运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件。它能够进行加、减、乘、除等算术运算，以及与、或、非、异或等逻辑运算。例如，在计算两个数的加法时，运算器接收来自寄存器或内存的数据，执行加法操作，并将结果返回。
- 组成：通常由算术逻辑单元和一系列寄存器组成。算术逻辑单元（ALU）是运算的核心部分，而寄存器用于暂存参与运算的数据和运算结果。
- 控制器（Control Unit）
- 功能：控制器是整个计算机系统的指挥中心。它负责从内存中读取指令，对指令进行译码，然后根据译码结果产生一系列控制信号，以协调计算机各个部件的工作。例如，它决定了数据在何时从内存读取到运算器，运算结果何时写回内存等操作的顺序。
- 工作过程：控制器按照程序计数器（PC）所指向的内存地址读取指令，将指令放入指令寄存器（IR），然后对指令进行译码，根据指令的操作码和操作数产生相应的控制信号，控制运算器、存储器和输入 / 输出设备等部件完成指令规定的操作。
- 存储器（Memory）
- 功能：存储器用于存储程序和数据。在冯・诺依曼结构中，程序和数据以二进制代码的形式存储在同一个存储器中，这是 “存储程序” 概念的体现。存储器可以分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。主存储器用于存储当前正在执行的程序和数据，它能够快速地与 CPU 进行数据交换；辅助存储器用于长期存储大量的程序和数据，如硬盘、光盘等。
- 存储单元和地址：存储器被划分为一个个存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址。数据和指令以二进制位（bit）为单位存储在这些存储单元中。例如，一个字节（Byte，8 位）的存储空间可以存储一个字符的 ASCII 码或者一个较小的整数。
- 输入设备（Input Device）
- 功能：输入设备用于将外部信息转换为计算机能够处理的二进制数据，并将其输入到计算机中。常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等。例如，当用户在键盘上按下一个键时，键盘将按键对应的字符编码发送给计算机，计算机通过接口电路将这些编码接收并存储到内存中。
- 输出设备（Output Device）
- 功能：输出设备用于将计算机处理后的结果以人们能够理解的形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机、扬声器等。例如，计算机将需要显示的字符的二进制编码发送到显示器，显示器通过内部的电路将这些编码转换为字符的图像并显示在屏幕上。
- 工作原理
- 程序和数据预先存储在存储器中。计算机开始工作时，控制器从存储器中读取第一条指令，将其放入指令寄存器进行译码，根据译码结果产生控制信号，使运算器等部件执行相应的操作。在执行完一条指令后，控制器会根据程序计数器的值自动读取下一条指令，如此循环，直到程序执行完毕。在这个过程中，数据在运算器、存储器和输入 / 输出设备之间不断地传输和处理，完成各种计算任务。
- 对计算机发展的影响
- 冯・诺依曼结构的出现是计算机发展史上的一个重要里程碑。它使得计算机能够自动地执行存储在存储器中的程序，大大提高了计算机的通用性和灵活性。这种结构的广泛应用促进了计算机软件和硬件的独立发展，使得人们可以通过编写不同的程序来让计算机完成各种各样的任务。同时，它也为计算机的大规模生产和应用奠定了基础，推动了计算机技术在各个领域的迅速普及和发展。
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