計算機組成原理 — 馮諾依曼體系結構

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文章目錄

• 目錄
• 前言
• 計算機組成原理的研究目的
• 馮·諾依曼體系結構的五大組成部分
• 馮·諾依曼機與圖靈機之間的關係

前言

本地是筆者基於《計算機組成原理》、《深刻理解計算機系統》、《深刻淺出計算機組成原理》和《大話計算機第一卷》的學習總結與概括。主要記錄了 CPU 組成及運算原理、指令系統、存儲系統、I/O 系統等內容，圍繞如何提升計算機性能展開思考。

計算機組成原理的研究目的

計算機組成（Computer Organization），其中 Organization 是 「組織機構」 的意思。因此計算機組成原理就是研究計算機這一實體內部的多個不一樣部件之間是如何變成一個 「組織機構」 的，這個組織機構最終又是如何可以進行各類計算、控制、讀取輸入、返回輸出，從而提供各類強大功能的。

• 學習控制器、運算器的工做原理，也就是 CPU 的工做原理；
• 學習存儲器的工做原理；
• 學習 CPU 是如何與輸入/輸出設備交互的；
• 學習計算機指令和計算，即高級語言到機器指令的翻譯過程；
• 學習浮點數的實現。

馮·諾依曼體系結構的五大組成部分

馮·諾依曼體系結構，也叫存儲程序計算機。即程序自己是存儲在計算機的內存裏的，能夠經過加載不一樣的程序來解決不一樣的問題。

馮·諾依曼在《First Draft of Report o the EDVAC》（《第一份草案》）中提出了現代計算機組成的五大部分 —— 控制器，處理器，存儲器，輸入和輸出設備。

注：EDVAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，電子數值積分計算機） 是實際上第一臺電子計算機。

• 處理單元（Processing Unit，PU）：又稱數據通路（Datapath）或運算器，包含了算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和處理器寄存器（Processor Register）。用於完成各類算術和邏輯運算。

• 控制器單元（Control Unit，CU）：包含了指令寄存器（Instruction Register）和程序計數器（Program Counter）。用於控制程序的流程（程序流），一般是條件判斷和跳轉。

NOTE：PU 和 CU 就組成了 CPU（Central Processing Unit，中央處理器）。

• 儲存器：包括用於存儲數據（Data）和指令（Instruction）的主存儲器和容量更大但速度卻慢的外部存儲器。

• 輸入/輸出設備：鍵盤、鼠標屬於輸入設備，顯示器是輸出設備，網卡便是輸入設備又是輸出設備。

馮·諾依曼機與圖靈機之間的關係

• 圖靈機是一個抽象的思想模型（計算機的基本理論基礎），是一種有窮的、構造性的問題的問題求解思路。背後對應着可計算性理論，告訴咱們什麼樣的問題是計算機解決得了的，什麼樣的問題是解決不了的。圖靈認爲凡是能用算法解決的問題也必定能用圖靈機解決；

• 馮諾依曼提出了 「存儲程序」 的計算機設計思想，並「 參照」 圖靈模型設計了歷史上第一臺電子計算機，即馮諾依曼機。