冯诺依曼计算机的5个主要部分通过_简述冯诺依曼计算机的特点

冯诺依曼型计算机小结，IAS计算机为例 　　摘要 　　随着计算机技术的不断发展，现代计算机与早期计算机，比如冯诺依曼型计算机相比在结构上有许多改进。但当前计算机主要还是基于冯诺依曼体系结构设计的，所以要了解现代计算机的体系结构还需先了解计算机鼻祖冯诺依曼型计算机。该篇将以IAS计算机为例，从计算机基本结构以及工作原理两大部分分析冯诺依曼型计算机体系结构。 　　关键字：冯诺依曼计算机，IAS计算机，基本结构，工作原理 　　背景介绍 　　电子计算机的问世，奠基人是英国科学家图灵和美籍匈牙利科学家冯诺依曼。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。冯诺依曼是20世纪最重要的数学家之一，因其在现代计算机、博弈论等领域的重大贡献成为美国科学院院士。他提出“离散变量自动电子计算机方案”-EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer),被称为“计算机之父”，该方案至今仍为计算机设计者所遵循。冯诺依曼对计算机最大的贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现。时至今日，虽然计算机发展迅速，但是就其结构原理来说，目前绝大多数的计算机仍然建立在存储程序控制概念的基础上。通常把符合“存储程序控制”的计算机统称为冯诺依曼型计算机。 　　IAS计算机的组成（硬件+软件） 　　一、硬件系统 　　总体图 　　1、主存：用来存放数据和程序 　　2、逻辑算数单（运算器）：主要运行算术运算和逻辑运算，并将中间结果暂存到运算器中 　　3、程序控制单（控制器）：主要用来控制和指挥程序和数据的输入运行，以及处理运算结果 　　4、输入输出设备（I/O）:输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式，常见的有键盘，鼠标等。输出设备可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等 　　运算器和控制器集成到同一芯片，合称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机。

　　内部具体结构 　　1、存储器 　　存储体存放二进制信息。 　　地址寄存器(MAR)存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单。 　　数据寄存器(MBR)是主存和其他部件的中介机构，用于暂存要从存储器中读或者写的信息。 　　时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。 　　注意: MAR和MDR属于存储器，但存在于CPU中。（CPU单会介绍） 　　IAS的存储器（这里一般指主存）由1000个存储单组成，一个单叫做一个字，每个字有40个二进制位组成。数据和指令都存在其中，这也是冯诺依曼结构的特点，是一种传统的存储器设计思想，即指令和数据是不加区分地混合存储在同一个存储器中，共享数据总线。指令地址和数据地址指向同一个存储器的不同位置，指令和数据的宽度相同。由于指令和数据存放在同一个存储器中，因此冯诺依曼结构中不能同时取指令和取操作数。又由于存储器存取速度远远低于CPU运算速度，从而使计算机运算速度受到很大的限制，CPU与共享存储器间的信息交换成了影响高速计算和系统性能的“瓶颈”。Intel公司的80×86以及其他中央处理器都采用了冯诺依曼结构。 　　字以二进制形式表示，每条指令也都是二进制代码。每个字由1个符号位和39个数值位组成。同时1个字包含两条20位的指令，每条指令由8位操作码（用来表示进行怎样的操作）和12位地址码（用来指定主存中对应单的内容，范围为0-999）。如下图

　　2、程序控制单和逻辑算数单 　　运算器（逻辑算数单）对数据进行加工处理，完成算术运算和逻辑运算。运算器的核心是算数逻辑单，运算器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果。 　　控制器（程序控制单）包括硬布线控制器、微程序控制器。由程序计数器、指令寄存器、控制单组成。 　　运算器和控制器用到的存储单被称作寄存器，各寄存器定义如下： 　　内存缓冲寄存器（Memory buffer register）:包含要存储在内存中或者需要传输到I/O单的字。简称MBR 　　地址存储寄存器（Memory address register）:指定要从MBR中写入或读取的字在内存中的地址。简称MAR 　　指令寄存器（Instruction register）：存储正在执行的八位操作码。IR 　　指令缓冲寄存器（Instruction buffer register）：暂时存储内存中一个字的右边指令。简称IBR 　　程序计数器（Program counter）：存储下一个要从内存中读取指令的对应地址。简称PC 　　累加器（Accumulator）和乘商寄存器（Multiplier quotient）:用于暂时保存操作数和算术逻辑单计算的结果。比如两个40位的数相乘结果是80位的数，最重要的40位存储在AC中，不重要的40位存储在MQ中。 　　CPU内部具体结构如下图：

　　3、输入输出设备 　　输入设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息输入到计算机。常见的有键盘，鼠标等。 　　输出设备可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等。 　　二、软件系统 　　软件是可运行的思想和内容的数字化。思想是指算法、规律、方法——程序表达。内容是指图像、图形、数据、声音、文字等被处理的对象。也可以将软件看成程序和数据的表现（以二进制表示的信息）。软件的核心是算法。 　　软件系统总体来看可以分为三大类。系统软件，如操作系统、网络系统和编译系统；支持软件，如开发工具、界面工具等；应用软件如字处理软件、游戏软件等。国标基本分类如下表： 　　三、硬件系统与软件系统的关系 　　1、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。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作,且应充分发挥其硬件的功能。 　　2、逻辑等效性 　　某些功能既可由硬件实现,也可由软件来实现。取决于所设计系统的性能价格比 　　3、协同发展 　　软件随硬件技术的迅速发展而发展,而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。 　　四、层次结构 　　图示：

　　1、结构层次以及特点 　　不同的用户处在不同的层次 　　比如学习C语言就处在高级语言层次，我们学习计算机的组成就处在指令集架构层和微代码层。 　　不同层次具有不同的属性 　　比如在高级语言层次学习C语言的用户需要了解C语言的语法和变成规则。而对于组成原理而言则需要了解微代码层和指令集架构层。层次不同学习难度不同，越低层次学习越难。 　　不同层次使用不同工具 　　如层次结构图中虚框所示。 　　不同层次代码效率不同 　　代码层次越高，访问时穿过的层数就越多，则访问所需要的时间就越长，代码效率就相对要低。而对于组成原理而言直接面向硬件层次，代码效率高。 　　2、三个概念 　　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。即当我们在编写C语言代码时，并不会硬件结构，则相对的，硬件结构对我们而言处于透明状态。即便不了解硬件也可以编程。 　　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。软硬件协同。 　　不同类型的软件对硬件有不同的要求； 　　编程CPU硬件相关性。每当新的CPU发布时，编程应查阅对应CPU的编程手册，以此编译出更高效的程序。 　　软/硬件的分界线 　　分界线在指令集架构与微代码之间（如层次结构图中所示） 　　分界线即软、硬件的接口,是指令操作硬件的入口。 　　指令格式及指令的设计与硬件关联。 　　IAS工作原理 　　一、存储程序 　　存储程序概念是冯诺依曼等人于1946年6月首先提出来的，它可以简要概括为以下几点： 　　1) 运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件构成。 　　2) 指令和数据以同等地位存于存储器中，并可按地址寻访。 　　3) 指令和数据均用二进制代码表示。 　　4)指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。 　　5) 指令在存储器内按顺序存放。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。 　　二、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。 　　三、IAS部分操作流程 　　IAS运作方式是重复执行一个指令周期。每个指令周期由两个子周期组成，分别是取指周期和执行周期。在取指周期中，将下一个指令的操作码加载到IR中，地址部分加载到MAR中。该指令可能可以直接在IBR中，也可能通过将字加载到MBR后，依次传输到IBR、IR、MAR。最终从内存中。之所以只能从MAR中取指，是因为这些操作步骤是由电子电路控制的，也就会用到数据通路。为了简化电子设计，只使用一个寄存器来指定内存的访问地址进行读写操作以及来源和目标。 　　一旦操作码加载到IR中，执行周期就会开始工作。控制电路对操作码进行译码，并通过发送适当的控制信号来执行指令，使数据开始传输或者算数逻辑单执行操作。 　　下图显示的是控制单执行指令的几个例子。注意每个操作都需要几个步骤。其中有一些相当复杂。

　　四、IAS指令集 　　IAS计算机一共有21项指令，见下表。这些指令可分为以下几类： 　　数据传输：在内存和ALU的寄存器之间或者在两个ALU寄存器之间。 　　无条件分支：通常，控制单按顺序执行内存中的指令。但这些指令可以通过一个分支指令来改变，有利于重复操作。 　　条件分支：该分支可以通过附加条件而独立出来。 　　算数：ALU操作。 　　地址修改：允许在ALU中操作地址码，并将操作码加到指令中后存储到内存。这样可以让程序的地址更加灵活。 　　总结 　　虽然冯诺依曼结构体系存在缺陷，现代电子计算机已经改进许多，但整体仍然是符合冯诺依曼体系结构的。所以只要理解了IAS计算机的组成及工作原理，那么现代电子计算机就容易掌握。本篇参考书目为“Computer Organisation and Achitecture 8th ”