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

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

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

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

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

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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