一、冯诺依曼计算机的特点
(1)特点1:五大组成部分:
- 存储器
- 运算器
- 输入设备
- 输出设备
- 控制器
(2)按地址寻访
含义:
存储器被划分成许多存储单元,每个单元有一个唯一地址。CPU 要访问某个信息,就给出地址,然后从对应单元读出或写入。
关键点:
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指令和数据同等地位存于存储器中 :
它们都以二进制形式放在存储器里,存储器并不区分"这条是指令、那条是数据"。
CPU 怎么区分?靠取指阶段 和执行阶段区分:
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取指阶段取出的内容,当作指令;
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执行阶段取出的内容,当作数据。
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按地址访问,不是按内容访问 :
冯·诺依曼机是"按地址寻访"。
如果按内容查找,那叫相联存储器,不是经典冯·诺依曼机的特点。
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程序计数器 PC :
用来存放下一条指令的地址,实现指令的顺序执行和跳转。
考试简答:
指令和数据以同等地位存于存储器,按地址访问,靠执行阶段区分。
(3)指令和数据是用二进制表示的
含义:
计算机内部,指令、数据、地址、控制信息等,最终都用二进制 0/1 表示。
为什么不用三进制、四进制?
核心不是"二进制数学上最好",而是"工程上最合适"。
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物理易实现
二进制只需两个稳定状态:高/低电压、通/断、有/无电荷。
三进制要三个稳定状态,四进制要四个,器件更难、更容易出错。
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可靠性高
0 和 1 状态差别大,抗干扰强。
三态、四态之间的间隔小,噪声、温度、电压波动容易造成误判。
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与布尔逻辑天然对应
逻辑只有真/假、0/1,与二进制完全一致。
与门、或门、非门等数字电路天然适合二进制。
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运算规则简单
二进制加法和乘法规则极少,电路简单、速度快、成本低。
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生态成熟
存储、通信、编码、纠错、软件、接口标准全都建立在二进制上。
三进制理论上信息密度更高,苏联也造过三进制计算机 Setun,但工程复杂、生态不足。四进制完全可以用两个二进制位表示,没必要直接做四态物理器件。
考试简答:
二进制只有两个稳定状态,易用开关器件实现,抗干扰强,与布尔逻辑一致,运算规则简单,制造和标准化容易。
(4)由操作码和地址码组成
这里说的是机器指令的格式。
一条机器指令通常由两部分组成:
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操作码 :指明"做什么操作"。
例如:加法、减法、传送、跳转、输入、输出、停机等。
所以你说"操作码指具体操作"是对的,但不只是算术运算,还包括逻辑运算和控制操作。
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地址码 :指明"操作数在哪里、结果放哪里、下一条指令在哪里"。
例如:
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源操作数地址;
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目的操作数地址;
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结果地址;
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下条指令地址。
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按地址码个数,指令可以分为:
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零地址指令;
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一地址指令;
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二地址指令;
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三地址指令。
有些指令还会包含寻址方式字段,用来说明地址码怎么用。
考试简答:
指令由操作码和地址码组成。操作码指出做什么,地址码指出操作数或结果所在位置。
(5)存储程序
这是冯·诺依曼机最核心的思想。
含义:
程序像数据一样,事先以二进制形式存入存储器。计算机启动后,自动按顺序从存储器中取指令、分析指令、执行指令,然后再取下一条指令。
基本工作过程:
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取指令;
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分析指令;
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执行指令;
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形成下一条指令地址;
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重复。
意义:
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计算机不再需要为每个任务重新接线;
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只要改变存储器中的程序,就能完成不同任务;
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使计算机成为通用计算机;
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程序和数据可以共享同一存储器。
注意:
"存储程序"并不等于"程序可以随便修改"。现代计算机有存储保护机制,防止程序被非法改写。
考试简答:
程序和数据一起以二进制形式存入存储器,计算机自动按顺序取指、译码、执行。
(6)以运算器为核心
这句话要加一个限定:
经典冯·诺依曼机以运算器为核心。
经典结构中,数据流动往往以运算器为中心:
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输入设备的数据可能先送到运算器;
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运算器与存储器之间交换数据;
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输出设备也可能从运算器取结果;
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控制器负责发出控制信号。
这种结构的问题:
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运算器成为数据中转中心;
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存储器与 CPU 速度不匹配;
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形成"冯·诺依曼瓶颈"。
现代计算机通常不再是"以运算器为核心",而是:
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以存储器为中心;
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CPU 由运算器和控制器组成;
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CPU、主存、I/O 通过总线连接;
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采用缓存、流水线、多核等技术缓解瓶颈。
另外,哈佛结构把指令和数据分开存储,可以同时取指令和取数据,也不是经典冯·诺依曼结构。
考试简答:
经典冯·诺依曼机以运算器为核心;现代计算机多以存储器为中心。