计算机的基本结构

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世界上第一台电子数字式计算机ENIAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)(如图1所示)于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行,奠定了电子计算机的发展基础,开辟了一个计算机科学技术的新纪元。

计算机的基本结构
图1ENIAC 1946年6月,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了重大的改进理论,主要有两点:其一是电子计算机应该以二进制为运算基础,其二是电子计算机应采用“存储程序”方式工作。冯·诺依曼体制的主要思想(如图2所示)包括:
(1)采用二进制代码形式表示信息(数据、指令);
(2)采用存储程序工作方式(冯·诺依曼思想最核心的概念);
(3)计算机硬件系统由五大部件(运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备)组成。
计算机的基本结构
图2冯·诺依曼体制

这些思想奠定了现代计算机的基本结构,并且开创了程序设计的新时代。冯·诺依曼对计算机界的最大贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现,主要包含以下三个方面的思想。
(1)根据任务编制程序
计算机对任务的处理,首先必须设计相应的算法,而算法是通过程序来实现的,程序就是一条条的指令,告诉计算机按照一定的步骤不断地去执行。程序中还应提供需要处理的数据,或者规定计算机在什么时候、什么情况下从输入设备取得数据,或向输出设备输出数据。
(2)将编制好的程序存储在计算机内部
计算机只能识别二进制文件,也就是一串0和1的组合。我们编写的程序,不管使用哪种语言,如汇编语言、C、JAVA等,最终都要编译成二进制代码,也就是机器语言,计算机才能够读懂和识别,才能按照一条条指令去执行ippipp.com。因此,编写好的程序最终将变为指令序列和原始数据,保存在存储器中,提供给计算机执行。
(3)计算机能够自动、连续地执行程序,并得到需要的结果
存储器就是一个个小房间,并且按照一定的地址进行编号,需要执行的指令和数据都以二进制代码的形式存放在存储器中。计算机开始执行程序,设置一个程序计数器PC(ProgramCounter)指向需要执行的指令或者代码处,每执行一个字节的指令,PC计数器自动加1,如果程序需要转移,PC指向转移地址处,按照转移地址读取后续指令。计算机就是这样能够自动地、连续不断地从存储器中逐条读取指令,并且完成相应操作,直到整个程序执行完毕。
冯·诺依曼的这些理论的提出,解决了计算机运算自动化的问题和速度配合问题,对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天,绝大部分的计算机还是采用冯·诺依曼方式工作。

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