计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机的特点

1945年，数学家冯·诺依曼（von Neumann）在研究EDVAC机（ Electronic Discrete variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机）时提出了“存储程序”的概念。

以此概念为基础的各类计算机称为冯·诺依曼计算机，这类计算机的特点可归纳为：

1.计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成。

2.指令和数据以同等地位存储在存储器内，并可按地址寻访。

3.指令和数据均以二进制表示。

4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作性质，地址码用来表示操作数在存储器中所存放的位置。

5.指令在存储器中按顺序存放。通常，指令是按顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器来完成。

其中第1点概括了计算机的组成部件，第6点概括了计算机的工作方式，第2至第5点则是简述了存储器中的指令和数据的属性和特征。

指令简略结构示例图如下：

上图为操作码6位，地址码10位的指令结构。

 

计算机的硬件框图

典型的冯·诺依曼计算机结构图如下：

可见典型的冯·诺依曼计算机结构是以运算器为中心的。

现代计算机已转化为以存储器为中心，其结构框图如下：

图中各部件的功能如下：

1.运算器用以作算术运算和逻辑运算，并保存运算得出的中间结果。

2.控制器用以控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。

3.存储器用以存储数据和程序。

4.输入设备用以将人们熟悉的信息形式转换成机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等。

5.输出设备用以将运算结果转换成人们熟悉的信息形式并输出，常见的有打印机输出、显示器输出等。

计算机的五大部件（又称五大子系统）在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

由于运算器和控制器在电路结构和逻辑关系上的联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现之后，人们往往将这两大部件集成在同一块芯片上，成为了我们今天所熟知的CPU，即中央处理器（Central Processing Unit）。同时，人们习惯将输入设备和输出设备统称为输入输出设备，即I/O设备。

因此，现代计算机可以认为由三大部件构成：CPU、主存储器、I/O设备。

现代计算机硬件结构框图如下：

图中的主存储器是存储子系统的一类，用来存放数据和程序，可以直击和CPU进行信息交互。另一类称为辅助存储器，简称辅存，又称为外存。

算术逻辑单元（Arithmetic Login Unit，ALU）简称算逻部件，用以完成算术逻辑运算。

控制单元（Control Unit，CU）用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。

ALU和CU是CPU的核心部件。

I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入输出操作。

总而言之，计算机是在控制器的统一指挥下有条不紊地完成自动工作的。