文章目錄

• • 1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史
  • • 1.1 第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)的誕生
    • 1.2 馮諾依曼的故事
    • 1.3 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型
  • 2 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)
  • • 2.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)模型
    • 2.2 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想
  • 3 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)
  • • 3.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型
    • 3.2 計(jì)算機(jī)是如何工作的
    • 3.3 計(jì)算機(jī)的基本組成與基本功能
  • 4 指令和數(shù)據(jù)

1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

1.1 第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)的誕生

1946年，第1臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī) ENIAC誕生：

• 由電子真空管組成
• 美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制
• 用于解決復(fù)雜彈道計(jì)算問(wèn)題
• 5000次加法/s –平方、立方、sin、cos等
• 用十進(jìn)制表示信息并運(yùn)算
• 采用手動(dòng)編程，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)和插拔電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)

Electronic Numerical Integrator And Computer：電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)。

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(jì)算。
• 1944年夏的一天，諾伊曼巧遇美國(guó)彈道實(shí)驗(yàn)室的軍方負(fù)責(zé)人戈?duì)査固?#xff0c;他正參與ENIAC的研制工作。
• 馮·諾依曼被戈?duì)査固菇榻B加入ENIAC研制組，1945年，他們?cè)诠餐懻摰幕A(chǔ)上，馮·諾伊曼以“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”為題，起草了長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)的總結(jié)報(bào)告，發(fā)表了全新的“存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案”。
• 一向?qū)８憷碚撗芯康钠樟炙诡D高等研究院批準(zhǔn)讓馮·諾依曼建造計(jì)算機(jī)，其依據(jù)就是這份報(bào)告。
• Electronic Discrete Variable Automatic Compute（電子離散變量自動(dòng)計(jì)算）。

1.3 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型

1946年，普林斯頓高等研究院（the Institute for Advance Study at Princeton，IAS ）開(kāi)始設(shè)計(jì)“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)，被稱(chēng)為IAS計(jì)算機(jī)（1951年才完成，并不是第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，1949年由英國(guó)劍橋大學(xué)完成的EDSAC是第一臺(tái)）。

• 在那個(gè)報(bào)告中提出的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。
• 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)最重要的思想是“存儲(chǔ)程序(Stored-program)”工作方式：任何要計(jì)算機(jī)完成的工作都要先被編寫(xiě)成程序，然后將程序和原始數(shù)據(jù)送入主存并啟動(dòng)執(zhí)行。一旦程序被啟動(dòng)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。
• 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)也稱(chēng)為馮·諾依曼機(jī)器（Von Neumann Machine）。
• 幾乎現(xiàn)代所有的通用計(jì)算機(jī)大都采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，因此，IAS計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型機(jī)。

IAS計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)大致如下：

• 應(yīng)該有個(gè)主存，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。
• 應(yīng)該有一個(gè)自動(dòng)逐條取出指令的部件。
• 還應(yīng)該有具體執(zhí)行指令（即運(yùn)算）的部件。
• 程序由指令構(gòu)成。
• 指令描述如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
• 應(yīng)該有將程序和原始數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的部件。
• 應(yīng)該有將運(yùn)算結(jié)果輸出計(jì)算機(jī)的部件。

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2 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

2.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)模型

早期，部件之間用分散方式相連。現(xiàn)在，部件之間大多用總線方式相連。

2.2 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想

• 計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件組成。
• 各基本部件的功能是：
  • 存儲(chǔ)器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒(méi)有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令；
  • 控制器應(yīng)能自動(dòng)取出指令來(lái)執(zhí)行；
  • 運(yùn)算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運(yùn)算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運(yùn)算和附加運(yùn)算；
  • 操作人員可以通過(guò)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信。
• 內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。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(lèi)型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。
• 采用“存儲(chǔ)程序”工作方式。

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3 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算機(jī)中最基本的部件：

• CPU：中央處理器；
• PC：程序計(jì)數(shù)器；
• MAR：存儲(chǔ)器地址寄存器；
• ALU：算術(shù)邏輯部件；
• IR：指令寄存器；
• MDR：存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)是如何工作的

類(lèi)似“存儲(chǔ)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(pán)-GPRs，鍋灶等-ALU ，架子-存儲(chǔ)器。

做菜前：

• 原材料（數(shù)據(jù)）和菜譜（指令）都按序放在廚房外的架子（存儲(chǔ)器）上， 每個(gè)架子有編號(hào)（存儲(chǔ)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(hào)架上的原料一起炒，并裝入3號(hào)盤(pán)
• 然后，我告訴媽媽從第5個(gè)架上（起始PC=5）指定菜譜開(kāi)始做

開(kāi)始做菜：

• 第一步：從5號(hào)架上取菜譜（根據(jù)PC取指令）
• 第二步：看菜譜（指令譯碼）
• 第三步：從架上或盤(pán)中取原材料（取操作數(shù)）
• 第四步：洗、切、炒等具體操作（指令執(zhí)行）
• 第五步：裝盤(pán)或直接送桌（回寫(xiě)結(jié)果）
• 第六步：算出下一菜譜所在架子號(hào)6=5+1（修改PC的值）繼續(xù)做下一道菜（執(zhí)行下一條指令）。

類(lèi)似的，計(jì)算機(jī)工作方式如下：
程序由指令組成（菜單由菜譜組成）。

程序在執(zhí)行前：

• 數(shù)據(jù)和指令事先存放在存儲(chǔ)器中，每條指令和每個(gè)數(shù)據(jù)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(gè)架子有編號(hào)。媽媽從第5個(gè)架上指定菜譜開(kāi)始做）

開(kāi)始執(zhí)行程序：

• 第一步：根據(jù)PC取指令（從5號(hào)架上取菜譜）
• 第二步：指令譯碼（看菜譜）
• 第三步：取操作數(shù)（從架上或盤(pán)中取原材料）
• 第四步：指令執(zhí)行（洗、切、炒等具體操作）
• 第五步：回寫(xiě)結(jié)果（裝盤(pán)或直接送桌）
• 第六步：修改PC的值（算出下一菜譜所在架子號(hào)6=5+1）繼續(xù)執(zhí)行下一條指令（繼續(xù)做下一道菜）

3.3 計(jì)算機(jī)的基本組成與基本功能

什么是計(jì)算機(jī)：

• 計(jì)算機(jī)是一種能對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)、高速算術(shù)和邏輯運(yùn)算的處理裝置。

計(jì)算機(jī)的基本部件及功能：

• 運(yùn)算器（數(shù)據(jù)運(yùn)算）：ALU、GPRs、標(biāo)志寄存器等
• 存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）：存儲(chǔ)陣列、地址譯碼器、讀寫(xiě)控制電路
• 總線（數(shù)據(jù)傳送）：數(shù)據(jù)(MDR)、地址(MAR)和控制線
• 控制器（控制）：對(duì)指令譯碼生成控制信號(hào)

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的所有任務(wù)都是通過(guò)執(zhí)行一條一條指令完成的！

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4 指令和數(shù)據(jù)

程序啟動(dòng)前：

• 指令和數(shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)器中，形式上沒(méi)有差別，都是0/1序列。

采用”存儲(chǔ)程序“工作方式：

• 程序由指令組成，程序被啟動(dòng)后，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)取出一條一條指令執(zhí)行，在執(zhí)行過(guò)程中無(wú)需人的干預(yù)。

指令執(zhí)行過(guò)程中：

• 指令和數(shù)據(jù)被從存儲(chǔ)器取到CPU，存放在CPU內(nèi)的寄存器中，指令在IR中，數(shù)據(jù)在GPR中。

指令中需給出的信息：

• 操作性質(zhì)（操作碼）
• 源操作數(shù)1 或/和 源操作數(shù)2 （立即數(shù)、寄存器編號(hào)、存儲(chǔ)地址）
• 目的操作數(shù)地址 （寄存器編號(hào)、存儲(chǔ)地址）
• 存儲(chǔ)地址的描述與操作數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān)！

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參考資料：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)(一)：程序的表示、轉(zhuǎn)換與鏈接

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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