3.2 冯·诺依曼型计算机

1944 年，科学家冯·诺依曼（J.von Neumann）（见图 3-2）与美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫克利（J.Mauchly）小组合作，在ENICA的研究基础之上提出了全新的“存储程序、程序控制”计算机基本结构和工作方式的设想，人们也把这个理论称为冯·诺依曼原理。该原理为计算机的诞生和发展奠定了理论基础，开创了程序设计时代。时至今日，尽管电子计算机的软硬件技术都取得了飞速发展，然而其体系结构并没有明显的突破，仍属于冯·诺依曼架构。由于冯·诺依曼对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“计算机之父”。

冯·诺依曼原理基本思想主要包括如下三点：

①计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

②计算机中的数据和程序以二进制代码形式存放在存储器中，存放的位置由地址决定。

③控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行，控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的工作流程。

3.2.1 计算机的基本结构

计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成，并规定了这五大部件的基本功能。

1.运算器

运算器（arithmetic unit，AU），计算机的核心部件，是用来对信息及数据进行处理和加工，完成计算机中最常见的算术运算和逻辑运算。硬件结构主要包括算术逻辑运算部件（arithmetic and logic unit，ALU）、寄存器组和连接各部件的数据通路。

算术逻辑运算部件是一种功能较强的组合逻辑电路，是运算器的核心部件，主要用于完成二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。算术运算主要包括定点加、减、乘、除运算；逻辑运算主要有逻辑与、逻辑或、逻辑异或和逻辑非操作；移位操作主要完成逻辑左移和右移、算术左移和右移及其他一些移位操作。

寄存器组主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。

2.控制器

控制器（control unit，CU）是整个计算机的管理机构和指挥中心，用来指挥各部件的操作，使各部分协调一致地工作，是计算机的神经中枢和指挥中心。它主要由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、时序节拍发生器和操作控制部件组成。控制器首先从内存储器中读取指令，并对指令进行分析、确定指令类型、对指令译码，然后根据指令的要求向计算机各个部件发出控制命令，使各个部件完成相应的任务。

运算器和控制器合在一起称为中央处理器（central processing unit，CPU），是计算机的核心部件。

3.存储器

存储器（memory unit）是计算机的记忆部件，主要用来存储二进制形式的数据信息、程序和计算结果。存储二进制数据和信息需要使用具有两种状态的物理器件，存储器的部件主要有磁芯、半导体器件、磁表面器件和光存储器件等。

根据功能不同，存储器可分为主存储器（简称主存或内存）和辅存储器（简称辅存或外存）两大类。

（1）主存储器

主存储器又被称为内存储器，简称主存或内存，是CPU可以直接访问的存储器，用来存放当前正在处理的程序及其所需要的数据。根据存取方式不同，内存又可以分为只读存储器和随机存储器两种。

①只读存储器。

只读存储器（read only memory，ROM）中所存的数据是计算机运行所必要的程序，包括监控程序、系统引导程序等专用程序，一般是装入整机前事先写好并固化在存储器中。在正常工作环境下，只能从ROM中读出数据，而不能加以修改和写入，所存数据也不会因为断电而丢失。为便于使用和大批量生产，进一步发展了可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。

②随机存储器。

随机存储器（random access memory，RAM）是用来存放CPU正在使用的程序、数据、中间结果和与外存交换的数据，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的运行空间。RAM是与CPU直接进行数据交换的内存储器，即CPU可以随时从内存条的任何一个指定的地址写入（存入）或读出（取出）信息。RAM具有存取速度快、集成度高、电路简单等优点，但与ROM的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据就会丢失，所以需要将结果数据存放到外存储器中永久存放。

主存储器由许多存储单元组成，系统为每一个存储单元分配地址，称为存储器地址。存储器采取按地址存（写）取（读）的工作方式，每个存储单元一般存放一个字节的信息。

中央处理器和主存储器是计算机信息加工处理的主要部件，通常将这两个部分合称为主机。

（2）辅存储器

辅存储器又称外存储器，简称外存。辅存储器用来存放多种大信息量的程序和数据，可以长期保存。与内存相比，其特点是存储容量大、价格便宜，但存取速度相对较慢。外存不能直接与CPU或外围设备进行数据信息交换，外存中的程序和数据，必须先调入内存储器，然后再被运算器、控制器处理。常用的外存储器有硬盘、U盘、移动硬盘等。

4.输入设备

输入设备（input equipment）用来接收外部信息的部件，输入信息包括数据、字符、声音、图片等，通过输入设备将这些信息转换为计算机能够接收的编码。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。

5.输出设备

输出设备（output equipment）是将计算机处理的结果从存储器中，以人们或其他机器能够接受的形式输出，如声音、图片、视频、文字等。比如，在屏幕上显示视频、图形或通过打印机打印文字。常用的输出设备有显示器、打印机、音箱、绘图仪等。

3.2.2 采用二进制表示数据和信息

在计算机里，所有的程序和数据都是采用二进制（0、1）表示。采用二进制便于计算机硬件实现数值的表示和计算，且计算方式简单，提高运算的可靠性和准确性。

3.2.3 存储程序方式

“存储程序、程序控制”是冯·诺依曼原理的核心思想。所谓存储程序，就是将程序（数据和指令序列）以二进制的形式按一定顺序预先存放在主存储器中，计算机在工作时，会自动高速地从存储器中依次取出指令，并按照程序中预先定义好的顺序完成复杂的运算。整个执行过程都是在控制器的控制下自动完成的。

根据冯·诺依曼提出的原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机（见图 3-3）。现代计算机虽然结构更加复杂，计算能力更加强大，但仍然是基于这一原理设计的，也是冯·诺依曼机。