文章目錄

• • 1 計算機的發展史
  • • 1.1 第一臺通用電子計算機的誕生
    • 1.2 馮諾依曼的故事
    • 1.3 現代計算機的原型
  • 2 馮·諾依曼結構
  • • 2.1 馮·諾依曼結構計算機模型
    • 2.2 馮·諾依曼結構的主要思想
  • 3 現代計算機結構
  • • 3.1 現代計算機結構模型
    • 3.2 計算機是如何工作的
    • 3.3 計算機的基本組成與基本功能
  • 4 指令和數據

1 計算機的發展史

1.1 第一臺通用電子計算機的誕生

1946年，第1臺通用電子計算機 ENIAC誕生：

• 由電子真空管組成
• 美國賓夕法尼亞大學研制
• 用于解決復雜彈道計算問題
• 5000次加法/s –平方、立方、sin、cos等
• 用十進制表示信息并運算
• 采用手動編程，通過設置開關和插拔電纜來實現

Electronic Numerical Integrator And Computer：電子數字積分計算機。

1.2 馮諾依曼的故事

• 1944年，馮·諾伊曼參加原子彈的研制工作，涉及到極為困難的計算。
• 1944年夏的一天，諾伊曼巧遇美國彈道實驗室的軍方負責人戈爾斯坦，他正參與ENIAC的研制工作。
• 馮·諾依曼被戈爾斯坦介紹加入ENIAC研制組，1945年，他們在共同討論的基礎上，馮·諾伊曼以“關于EDVAC的報告草案”為題，起草了長達101頁的總結報告，發表了全新的“存儲程序通用電子計算機方案”。
• 一向專搞理論研究的普林斯頓高等研究院批準讓馮·諾依曼建造計算機，其依據就是這份報告。
• Electronic Discrete Variable Automatic Compute（電子離散變量自動計算）。

1.3 現代計算機的原型

1946年，普林斯頓高等研究院（the Institute for Advance Study at Princeton，IAS ）開始設計“存儲程序”計算機，被稱為IAS計算機（1951年才完成，并不是第一臺存儲程序計算機，1949年由英國劍橋大學完成的EDSAC是第一臺）。

• 在那個報告中提出的計算機結構被稱為馮·諾依曼結構。
• 馮·諾依曼結構最重要的思想是“存儲程序(Stored-program)”工作方式：任何要計算機完成的工作都要先被編寫成程序，然后將程序和原始數據送入主存并啟動執行。一旦程序被啟動，計算機應能在不需操作人員干預下，自動完成逐條取出指令和執行指令的任務。
• 馮·諾依曼結構計算機也稱為馮·諾依曼機器（Von Neumann Machine）。
• 幾乎現代所有的通用計算機大都采用馮·諾依曼結構，因此，IAS計算機是現代計算機的原型機。

IAS計算機結構大致如下：

• 應該有個主存，用來存放程序和數據。
• 應該有一個自動逐條取出指令的部件。
• 還應該有具體執行指令（即運算）的部件。
• 程序由指令構成。
• 指令描述如何對數據進行處理。
• 應該有將程序和原始數據輸入計算機的部件。
• 應該有將運算結果輸出計算機的部件。

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2 馮·諾依曼結構

2.1 馮·諾依曼結構計算機模型

早期，部件之間用分散方式相連。現在，部件之間大多用總線方式相連。

2.2 馮·諾依曼結構的主要思想

• 計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五個基本部件組成。
• 各基本部件的功能是：
  • 存儲器不僅能存放數據，而且也能存放指令，形式上兩者沒有區別，但計算機應能區分數據還是指令；
  • 控制器應能自動取出指令來執行；
  • 運算器應能進行加/減/乘/除四種基本算術運算，并且也能進行一些邏輯運算和附加運算；
  • 操作人員可以通過輸入設備、輸出設備和主機進行通信。
• 內部以二進制表示指令和數據。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數的地址。由一串指令組成程序。
• 采用“存儲程序”工作方式。

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3 現代計算機結構

3.1 現代計算機結構模型

計算機中最基本的部件：

• CPU：中央處理器；
• PC：程序計數器；
• MAR：存儲器地址寄存器；
• ALU：算術邏輯部件；
• IR：指令寄存器；
• MDR：存儲器數據寄存器；
• GPRs：通用寄存器組（由若干通用寄存器組成，早期就是累加器）。

3.2 計算機是如何工作的

類似“存儲程序”工作方式。

先想象一下媽媽是怎樣做一桌你喜歡（指定）的菜的？

• 廚房-CPU，你媽-控制器，盤-GPRs，鍋灶等-ALU ，架子-存儲器。

做菜前：

• 原材料（數據）和菜譜（指令）都按序放在廚房外的架子（存儲器）上， 每個架子有編號（存儲單元地址）。
• 菜譜上信息：原料位置、做法、做好的菜放在哪里等
  • 例如，把10、11號架上的原料一起炒，并裝入3號盤
• 然后，我告訴媽媽從第5個架上（起始PC=5）指定菜譜開始做

開始做菜：

• 第一步：從5號架上取菜譜（根據PC取指令）
• 第二步：看菜譜（指令譯碼）
• 第三步：從架上或盤中取原材料（取操作數）
• 第四步：洗、切、炒等具體操作（指令執行）
• 第五步：裝盤或直接送桌（回寫結果）
• 第六步：算出下一菜譜所在架子號6=5+1（修改PC的值）繼續做下一道菜（執行下一條指令）。

類似的，計算機工作方式如下：
程序由指令組成（菜單由菜譜組成）。

程序在執行前：

• 數據和指令事先存放在存儲器中，每條指令和每個數據都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段組成，程序起始地址置PC（原材料和菜譜都放在廚房外的架子上， 每個架子有編號。媽媽從第5個架上指定菜譜開始做）

開始執行程序：

• 第一步：根據PC取指令（從5號架上取菜譜）
• 第二步：指令譯碼（看菜譜）
• 第三步：取操作數（從架上或盤中取原材料）
• 第四步：指令執行（洗、切、炒等具體操作）
• 第五步：回寫結果（裝盤或直接送桌）
• 第六步：修改PC的值（算出下一菜譜所在架子號6=5+1）繼續執行下一條指令（繼續做下一道菜）

3.3 計算機的基本組成與基本功能

什么是計算機：

• 計算機是一種能對數字化信息進行自動、高速算術和邏輯運算的處理裝置。

計算機的基本部件及功能：

• 運算器（數據運算）：ALU、GPRs、標志寄存器等
• 存儲器（數據存儲）：存儲陣列、地址譯碼器、讀寫控制電路
• 總線（數據傳送）：數據(MDR)、地址(MAR)和控制線
• 控制器（控制）：對指令譯碼生成控制信號

計算機實現的所有任務都是通過執行一條一條指令完成的！

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4 指令和數據

程序啟動前：

• 指令和數據都存放在存儲器中，形式上沒有差別，都是0/1序列。

采用”存儲程序“工作方式：

• 程序由指令組成，程序被啟動后，計算機能自動取出一條一條指令執行，在執行過程中無需人的干預。

指令執行過程中：

• 指令和數據被從存儲器取到CPU，存放在CPU內的寄存器中，指令在IR中，數據在GPR中。

指令中需給出的信息：

• 操作性質（操作碼）
• 源操作數1 或/和 源操作數2 （立即數、寄存器編號、存儲地址）
• 目的操作數地址 （寄存器編號、存儲地址）
• 存儲地址的描述與操作數的數據結構有關！

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參考資料：

計算機系統基礎(一)：程序的表示、轉換與鏈接

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机系统的发展史、基本组成、工作原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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