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馮·諾依曼體系結構

馮·諾依曼於1946年提出存儲程序原理

美籍匈牙利數學家馮·諾依曼於1946年提出存儲程序原理,把程序本身當作數據來對待,程序和該程序處理的數據用同樣的方式儲存。馮·諾依曼體系結構馮·諾依曼理論的要點是:計算機的數制採用二進位;計算機應該按照程序順序執行。人們把馮·諾依曼的這個理論稱為馮·諾依曼體系結構。

簡介


從EDVAC到當前最先進的計算機都採用的是馮·諾依曼體系結構。所以馮·諾依曼是當之無愧的數字計算機之父。

發展背景


電子計算機的問世,奠基人是英國科學家艾蘭· 圖靈(Alan Turing)和美籍匈牙利科學家馮· 諾依曼(John Von· Neumann)。圖靈的貢獻是建立了圖靈機的理論模型,奠定了人工智慧的基礎。而馮· 諾依曼則是首先提出了計算機體系結構的設想。
1946年美籍匈牙利科學家馮·諾依曼提出存儲程序原理,把程序本身當作數據來對待,程序和該程序處理的數據用同樣的方式存儲,並確定了存儲程序計算機的五大組成部分和基本工作方法。
半個多世紀以來,計算機製造技術發生了巨大變化,但馮· 諾依曼體系結構仍然沿用至今,人們總是把馮· 諾依曼稱為“計算機鼻祖”。

體系結構


(1)採用存儲程序方式,指令和數據不加區別混合存儲在同一個存儲器中,數據和程序在內存中是沒有區別的,它們都是內存中的數據,當EIP指針指向哪 CPU就載入那段內存中的數據,如果是不正確的指令格式,CPU就會發生錯誤中斷. 在現在CPU的保護模式中,每個內存段都有其描述符,這個描述符記錄著這個內存段的訪問許可權(可讀,可寫,可執行).這就變相的指定了哪些內存中存儲的是指令哪些是數據)
指令和數據都可以送到運算器進行運算,即由指令組成的程序是可以修改的。
(2)存儲器是按地址訪問的線性編址的一維結構,每個單元的位數是固定的。
(3)指令由操作碼和地址組成。操作碼指明本指令的操作類型,地址碼指明操作數和地址。操作數本身無數據類型的標誌,它的數據類型由操作碼確定。
(4)通過執行指令直接發出控制信號控制計算機的操作。指令在存儲器中按其執行順序存放,由指令計數器指明要執行的指令所在的單元地址。指令計數器只有一個,一般按順序遞增,但執行順序可按運算結果或當時的外界條件而改變。
(5)以運算器為中心,I/O設備與存儲器間的數據傳送都要經過運算器。
(6)數據以二進位表示。

特點


(1)計算機處理的數據和指令一律用二進位數表示
(2)順序執行程序
計算機運行過程中,把要執行的程序和處理的數據首先存入主存儲器(內存),計算機執行程序時,將自動地並按順序從主存儲器中取出指令一條一條地執行,這一概念稱作順序執行程序。
(3)計算機硬體由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。

作用


馮。諾依曼體系結構是現代計算機的基礎,現在大多計算機仍是馮。諾依曼計算機的組織結構,只是作了一些改進而已,並沒有從根本上突破馮體系結構的束縛。馮。諾依曼也因此被人們稱為“計算機之父”。然而由於傳統馮。諾依曼計算機體系結構天然所具有的局限性,從根本上限制了計算機的發展。
馮· 諾依曼體系結構
馮· 諾依曼體系結構
根據馮·諾依曼體系結構構成的計算機,必須具有如下功能:把需要的程序和數據送至計算機中。必須具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力。能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力。能夠根據需要控制程序走向,並能根據指令控制機 器的各部件協調操作。能夠按照要求將處理結果輸出給用戶。
將指令和數據同時存放在存儲器中,是馮·諾依曼計算機方案的特點之一 計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備五部分組成 馮·諾依曼提出的計算機體系結構,奠定了現代計算機的結構理念。