计算机体系结构之父--冯诺依曼

冯诺依曼计算机体系结构冯·诺依曼计算机体系结构（von Neumann architecture）是一种包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器（Memory）、输入/输出设备（Input/Output Device）和控制单元（Control Unit）等基本组件的计算机系统的组织结构。

这种计算机体系结构在20世纪40年代末至50年代初由冯·诺依曼提出，并成为了现代计算机的基础。

下面将详细介绍冯·诺依曼计算机体系结构的各个方面。

首先，中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，负责执行指令、进行运算和控制计算机的其他组件。

它由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和控制单元（Control Unit）组成。

ALU负责进行算术和逻辑运算，而控制单元则负责解码和执行指令、管理数据传输和控制计算机的其他组件。

CPU的设计使得计算机可以按照指令进行顺序执行，实现数据的处理和计算。

其次，存储器（Memory）是计算机系统中用于存储和获取数据和指令的组件。

冯·诺依曼计算机体系结构中的存储器被划分为两个主要部分：主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Secondary Storage）。

主存储器是CPU能够直接访问的存储设备，它通常采用随机存储器（Random Access Memory，RAM）的形式，用于暂时保存计算机运行时的数据和指令。

与之相对，辅助存储器类似于硬盘或固态硬盘，用于长期存储数据和程序。

再次，输入/输出设备（Input/Output Device）用于计算机与外部世界之间的数据交换。

输入设备用于向计算机系统输入数据和指令，包括键盘、鼠标、触摸屏等；而输出设备用于将计算机处理的结果输出给用户，包括显示器、打印机、扬声器等。

输入/输出设备通过输入/输出接口与计算机系统的其他组件连接，实现数据的传输和交换。

冯诺依曼体系
1945年6月约翰·冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人，联名发表了一篇长达101页纸的报告《First Draft of a Report on the EDVAC》，即计算机史上著名的“101页报告”。

在报告中冯·诺伊曼明确提出了计算机的体系架构。

从1951年第一台电子计算机EDVAC开始，计算机经历了多次的更新换代，不管是最原始的、还是最先进的计算机，使用的仍然是冯·诺依曼最初设计的计算机体系结构。

因此冯·诺依曼被世界公认为“计算机之父”，他设计的计算机系统结构，称为“冯诺依曼体系结构”。

采用二进制作为计算机数值计算的基础，以0、1代表数值。

不采用人类常用的十进制计数方法，二进制使得计算机容易实现数值的计算。

程序或指令的顺序执行，即预先编好程序，然后交给计算机按照程序中预先定义好的顺序进行数值计算。

简述冯.诺依曼计算机系统结构
冯·诺依曼计算机系统结构也被称为冯·诺依曼体系结构或冯·诺依曼体系，是现代计算机系统结构的基础和范例。

该结构由美国数学家冯·诺依曼于1945年提出，并在其著作《EDVAC报告》中详细阐述。

冯·诺依曼计算机系统结构包括以下几个关键部分：
1.中央处理器（CPU）：负责执行计算机指令和处理数据的核心部件，分为算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）两部分。

2.存储器：用于存储指令和数据的设备，包括主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。

3.输入/输出设备：用于与外部世界进行信息交互的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。

4.指令集架构（ISA）：规定了计算机能够执行的指令集和操作码的集合，决定了计算机的编程模型和指令执行方式。

5.存储程序：计算机能够执行的指令和数据以二进制形式存储在存储器中，并按照顺序执行。

冯·诺依曼计算机系统结构的特点包括：
1.存储程序：指令和数据以相同的格式存储在存储器中，计算
机可以按顺序读取并执行。

2.存储器访问：计算机可以通过地址寻址方式从存储器中读取或写入指令和数据。

3.存储器分层：将存储器分为主存储器和辅助存储器，主存储器用于临时存储数据和指令，辅助存储器用于永久存储。

4.指令流水线：计算机可以将指令和数据进行流水线处理，以提高执行效率。

5.可编程性：冯·诺依曼计算机具有较高的可编程性，可以根据需求修改和执行不同的程序。

冯·诺依曼计算机系统结构的发展和应用为现代计算机科学和技术的进步提供了坚实的基础，并成为了普遍采用的计算机结构范例。

1957年的今天，冯·诺依曼去世。

三句话了解这位“计算机之⽗”①他⾃幼聪慧，8岁学会微积分，23岁获数学博⼠学位②他提出计算机基本⼯作原理，开创的现代计算机理论沿⽤⾄今③他是20世纪最伟⼤数学家之⼀，开创了冯·诺依曼代数。

冯·诺依曼的智商有多⾼？冯·诺依曼（JohnvonNeumann，1903~1957），原籍匈⽛利，布达佩斯⼤学数学博⼠。

他是20世纪最重要的数学家之⼀，被后⼈称为“计算机之⽗”和“博弈论之⽗”。

更多的时候，⼈们直接地称他为“科学界的外星⼈”。

▲⼩时候的冯·诺依曼约翰·冯·诺依曼是⼀位匈⽛利裔美国⼈，也是⼀位智商极⾼，记忆⼒超强的天才，是⼈类历史上最杰出的数学家，⼀位全才型的科学家。

但这样⼀个天才，却只在这个世界上活了55年的时间，实在是令⼈惋惜。

在过去的岁⽉⾥，⽆论使⽤何种语⾔，全世界所有有关计算机的书籍和论⽂中，冯·诺依曼的名字和另⼀位也被称作“计算机之⽗”的图灵⼀起，被⽆可避免地反复提及——图灵建⽴了图灵机的理论模型，奠定了⼈⼯智能的基础，冯·诺依曼则⾸先提出了计算机体系结构的设想。

▲冯·诺依曼和奥本海默在第⼀台计算机前合影诺依曼⼀⽣沉迷思考，这使他学术成就丰厚，但因为思考和计算速度实在太快，他并不能成为⼀个好的讲师——给学⽣授课时，他飞速的思考过程让平常⼈难以跟上，学⽣们对他总是只在⼀⼤块⿊板的⼀⼩部分上写⼀⼤串⽅程式，然后不等学⽣们抄下来就擦掉的做法意见很⼤。

冯·诺伊曼算得有多快？有⼀次，诺贝尔物理学奖得者塞格雷和另⼀位诺奖得主为⼀个积分的有关问题争论了⼀个下午，却毫⽆进展。

这时他们从开着的门缝中看到冯.诺依曼正沿着⾛廊朝他们的办公室⾛来，于是他们问冯.诺依曼：“您能帮我们解决这个积分问题吗？”困扰他们的积分问题就写在移动⿊板上，冯.诺依曼⾛到门⼝，看了⼀眼⿊板，⽴即给出了答案，⼤概花了3秒钟，此时，塞格雷和他同事完全被吓住了，他们根本不知道冯.诺依曼是怎么这么快就解决了这个难题的。

冯诺依曼计算机的体系结构冯·诺依曼计算机体系结构是现代计算机硬件和软件架构的基石之一。

它由冯·诺依曼教授于1945年提出，并于1946年完成了一台基于该体系结构的计算机原型。

冯·诺依曼计算机体系结构由5个重要部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

运算器是计算机的核心部件，负责进行各种算术和逻辑运算。

控制器负责协调和控制计算机各个部件的工作，按照指令序列的顺序执行操作。

存储器用于存储程序和数据，其中包括运行时的指令和数据，以及处理数据的结果。

输入设备用于将外部信息输入计算机，输出设备用于将计算机加工后的信息传递给外部。

冯·诺依曼计算机采用了存储程序的概念，即将程序和数据存储在同一种类型的存储器中。

这种方法使得计算机可以根据程序的指示按需获取和处理数据。

与之相对，冯·诺依曼计算机引入了存储程序的概念，这使得计算机不仅能够执行预编程的操作，还能够根据指令自动改变执行路径。

冯·诺依曼计算机的指令由操作码和操作数组成。

操作码定义了所执行的操作类型，而操作数则指定了该操作所需的数据。

指令以二进制代码的形式存储在计算机的存储器中，并按照特定的格式解码和执行。

指令的执行过程包括获取指令、解码指令、执行指令和存储结果。

冯·诺依曼计算机还引入了模块化设计的概念，即将计算机划分为多个模块，每个模块负责不同的任务。

这种设计使得计算机的构建和维护更加简便和灵活，并促进了计算机的发展和演进。

冯·诺依曼计算机体系结构的优点在于其简单性和通用性。

由于存储程序的概念，计算机可以按照预先定义的方式执行操作，而无需进行物理改变。

此外，冯·诺依曼计算机的体系结构可以用于各种不同的计算任务，从科学计算到商业数据处理。

然而，冯·诺依曼计算机体系结构也存在一些局限性。

首先，由于计算机的运算和存储操作是分离的，导致了存储器和运算器之间的瓶颈问题。

简述冯诺依曼体系结构的基本内容
冯·诺依曼体系结构是由德国数学家冯·诺依曼在1946年发明的一种计算机体系结构，也是现代计算机的基础。

它是一种分层的体系结构，将计算机分解为几个部分，即运行程序、控制单元、存储器、输入/输出系统，以及系统总线。

首先，计算机要运行程序，而运行程序就是指把输入数据处理成想要的结果。

运行程序的核心就是控制单元，它负责对程序进行指令解释和控制，根据控制单元发出的控制信号，各个计算机系统能正常工作，把输入的数据处理成想要的结果。

其次，在冯·诺依曼体系结构中，存储器的功能是存储程序和所需的数据，它们是计算机的核心，负责保存和提供程序和数据，当计算机断电时，这些数据仍然会保留。

存储器主要分为两类：一类是内存，它可以快速存储和读取数据，但是容量有限；另一类是外存，它的容量比内存大得多，但是读取速度比内存慢得多。

再次，冯·诺依曼体系结构中的输入/输出系统负责与外部设备的交互，它通过输入设备，如键盘、鼠标等，来输入数据；通过输出设备，如显示器、打印机等，来输出数据，从而使计算机与外部设备之间的交流。

最后，系统总线是冯·诺依曼体系结构中最重要的部分，它负责连接各个部件，使它们能够相互通信，如运行程序、控制单元、存储器、输入/输出系统等。

它是计算机的“血液”，是计算机正常工作的基础。

总之，冯·诺依曼体系结构是一种分层的体系结构，它将计算机分解为运行程序、控制单元、存储器、输入/输出系统，以及系统总线等几个部分，它是现代计算机的基础，也是计算机中不可缺少的一部分。

最早电脑是谁发明的美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最新提出程序存储的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机，世界上第一台冯·诺依曼式计算机是1949年研制的EDSAC，由于他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”。

CUI：冯诺依曼体系机构说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯诺依曼。

从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。

人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。

所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。

20世纪30年代中期，德国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。

同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制;计算机应该按照程序顺序执行。

人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。

从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。

所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中。

必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输人数据和程序的输入、设备记忆程序和数据的存储器完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器输出、处理结果的输出设备。

约翰·冯·诺依曼 John vonNeumann，1903-1957，美籍匈牙利人，数学家、计算机学家、物理学家、经济学家、发明家，“现代电子计算机之父”，他制定的计算机工作原理直到现在还被各种电脑使用着。

简述冯诺依曼计算机体系结构冯·诺依曼计算机体系结构，也被称为冯·诺依曼体系结构、普林斯顿体系结构，是一种基于存储程序的计算机体系结构，由冯·诺依曼在二战结束后的1945年提出。

冯·诺依曼计算机体系结构由五个主要组成部分组成：输入/输出（I/O）设备、存储器、运算器、控制器和算法。

输入/输出设备（I/O）是用于与计算机外部进行信息交互的设备，例如键盘、鼠标、显示器、打印机等。

输入设备用于将外部数据输入到计算机中，输出设备用于将计算机的结果输出到外部。

存储器是用于存储数据和程序的部件。

冯·诺依曼计算机的存储器被分为两个不同的部分：主存储器（也称为内存）和辅助存储器。

主存储器用于存储正在执行的程序和正在操作的数据，而辅助存储器用于长期存储数据和程序。

运算器是用于执行算术和逻辑操作的部件。

它包括算术逻辑单元（ALU），它执行基本的算术和逻辑运算，以及寄存器，它用于存储和传输数据。

控制器是用于协调计算机的操作的部件。

它从存储器中获取指令并将其发送到运算器和其他部件进行执行。

控制器还负责确定下一条要执行的指令，并控制数据的流动和操作的顺序。

算法是一套指令的有序序列，用于指导计算机执行特定的任务。

冯·诺依曼计算机使用存储程序的概念，其中程序指令被存储在存储器中，并按顺序执行。

这种存储程序的特点使得计算机能够根据不同的需求执行不同的任务。

冯·诺依曼计算机体系结构的特点和优势如下：1.存储程序结构：冯·诺依曼计算机使用存储程序的概念，使得计算机能够存储和执行不同的程序。

这种特点使得计算机具有灵活性和可编程性，能够适应不同的任务需求。

2.通用性：冯·诺依曼计算机的通用性使其能够执行不同类型的任务。

通过改变存储器中的程序和数据，计算机可以执行不同的操作，适应不同的需求。

3.指令的顺序执行：冯·诺依曼计算机按照指令的顺序执行任务。