冯诺依曼结构计算机组成及工作原理

冯诺依曼计算机体系结构是由冯·诺依曼提出的计算机体系结构的理论模型，是当今计算机系统的基础架构。冯诺依曼计算机体系结构的主要思想包括：

1．计算机是由硬件和软件组成的。硬件包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，软件包括操作系统、应用程序等。

2．计算机采用二进制系统，所有的数据和指令都用二进制编码表示。

3．计算机的硬件和软件是分开的，硬件只负责执行指令，而软件负责规划指令的执行过程。

4．计算机采用的是存储器系统，所有的数据和指令都存储在存储器中，并由中央处理器读取并执行。

5．计算机采用分治法，将复杂的任务分解为若干个简单的任务，分别由不同的部件完成。

6．计算机采用的是程序控制的方式，所有的指令都按照一定的顺序执行，从而完成复杂的任务。

冯诺依曼计算机体系结构的主要思想是将计算机作为一个整体，由硬件和软件组成，并采用二进制系统、存储器系统和分治法等原理来实现计算机的功能。它为计算机的发展奠定了基础，是当今计算机系统的基础架构。

计算机组成-冯·诺依曼体系结构

计算机组成 - 冯·诺依曼体系结构⽬录

计算机组成原理⽬录：

计算机组成原理在整个计算机课程中的地位如下图所⽰：

图1：计算机体系结构

计算机组成原理这门课会围绕冯·诺依曼体系的五⼤组成部分展开，分别介绍运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备。运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备。

1. 冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构(Von Neumann architecture)，也叫存储程序计算机。什么是存储程序计算机呢？这⾥⾯其实暗含了两个概念：

可编程计算机：计算机是由各种门电路组合⽽成的，然后通过组装出⼀个固定的电路板，来完成⼀个特定的计算程序。⼀旦需要修改

功能，就要重新组装电路。这样的话，计算机就是“不可编程”的。如计算器就是不可编程的。

存储计算机。⽐如内存和硬盘都是存储设备。

图2：冯·诺依曼体系结构⽰意图

处理器单元(Processing Unit)：⾸先是⼀个包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor

Register）的处理器单元（Processing Unit），⽤来完成各种算术和逻辑运算。因为它能够完成各种数据的处理或者计算⼯作，因此

也有⼈把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。

控制器单元(Control Unit/CU)：是⼀个包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制器单元

（Control Unit/CU），⽤来控制程序的流程，通常就是不同条件下的分⽀和跳转。在现在的计算机⾥，上⾯的算术逻辑单元和这⾥的

控制器单元，共同组成了我们说的 CPU。

存储器存储器：⽤来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。以及更⼤容量的外部存储，在过去，可能是磁带、磁⿎这样的设备，现在通常就是硬盘。

输⼊输出设备输⼊输出设备：⽽所有的计算机程序，也都可以抽象为从输⼊设备读取输⼊信息，通过运算器和控制器来执⾏存储在存储器⾥的程

计算机工作原理解析

冯·诺依曼结构

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼结构(John von Neumann)奠定了现代计算机的基本结构，其特点是：

1)使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。

2)存储单元是定长的线性组织。

3)存储空间的单元是直接寻址的。

4)使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。

5)对计算进行集中的顺序控制。

6)计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大

部件组成并规定了它们的基本功能。

7)彩二进制形式表示数据和指令。

8)在执行程序和处理数据时必须将程序和数据道德从外存储器装入主存储

器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

这就是存储程序概念的基本原理。

计算机指令

计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人

们预定的安排是通过一连串指令(操作者的命令)来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一

个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，管为该种计算机

的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指

令。其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节

是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令(加、减、乘、除等)、数

据传送指令、程序控制指令、状态管理指令。整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数(字节编址)。每个在位单元可以存放数

据或程序代码。为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一

个唯一的编号来标识，即地址。

计算机的工作原理

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相

关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的

内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，

简述冯诺依曼计算机结构的五大组成部分

1、运算器，计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与，或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件。

2、控制器，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的决策机构，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

3、存储器，存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件，用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序。外存就像笔记本一样，用来存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。

4、输入设备，输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。

5、输出设备，是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。