冯诺依曼式计算机

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From the course by Peking University

计算导论与C语言基础

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Peking University

计算导论与C语言基础

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Course 1 of 7 in the Specialization 程序设计与算法

你有没有好奇过：计算机为什么能够进行计算？计算机程序是怎样运行的？你是否想知道：计算机未来可能的发展趋势有哪些？程序是如何编写出来的？如何学习程序设计语言？程序设计语言的基本成分有哪些？《计算导论》这门课将帮助你解决这些疑惑。学完这门课，你将能够解释计算机和程序的基本运行原理以及它们的特性，向你的朋友讲述计算机的历史和发展趋势；同时，你也将充分“热身”，迎接“计算机程序设计语言”的学习！

From the lesson

程序运行的基本原理

本次课带大家走进计算机，了解计算机的几个基本构成成分及其作用，在此基础上，了解CPU指令的基本执行过程、了解计算机执行程序的过程。本次课的主要目的：了解计算机是如何运行程序的。本次课的焦点问题：为什么说现代计算机是冯诺依曼式计算机？电路为什么能存储数字？CPU是不是任意命令都能执行？

问题的提出4:52

冯诺依曼式计算机8:28

存储器的种类与特点8:21

Meet the Instructors

Ge Li 李戈, Ph.D.
Associate Professor
School of Electronics Engineering and Computer Science

OK 接下来我们先看一下，什么是存储程序式计算机

正如我们以前讲过的世界上第一台存储程序式计算机是EDVAC

它是由冯诺依曼和他的团队制造出来的

那么在1945年的时候呢，冯诺依曼曾经发表了一篇技术报告

叫做关于EDVAC的技术草案

这个技术报告很长，有101页，正是这篇101页的技术报告，使得EDVAC成为当今所有现代计算机的原型和范本

人们也为了纪念冯诺依曼

就把存储程序式计算机也称作冯诺依曼式计算机

那么冯诺依曼式计算机和传统计算机到底有什么不同呢在冯诺依曼式计算机中

计算机被分成了5个具有相对独立性又互相联系的部分

分别称作控制器、运算器、存储器、输入输出设备

他们之间由总线相连

而且冯诺依曼清晰的定义了每个部分他们的职责

比方说，控制器，就是用来协调和指挥其他部分工作的

运算器就是专门用来算算术运算，或者是逻辑运算

存储器呢专门用来存储要用来执行的命令和相关信息

输入输出设备，非常熟悉了

那在冯诺依曼式计算机中，命令到底长成什么样子，每一条命令

它是怎么样被执行的呢

下面我们就来通过一个小例子，来说明一下冯诺依曼式计算机计算机的工作过程首先看这个图，这个图跟刚刚那个图是对应的，只不过把有些地方做了细化

比方说它包含控制器运算器

存储器，输入输出设备，5个部分

那么其中控制器和运算器包含的一些

小的固件被画出来了，当然为了便于大家理解我用的名字

并不是规范的，规范的名字待会儿再说

我们先看一下在这样的计算机里面，命令长成什么样子。现在我画出的就是一条命令

一个长长的二进制的字符串

计算机最后能够接受的命令都是二进制的

那这条命令到底是怎么样被执行的呢。我们来看下这条命令的执行过程

首先我们来解释一下这条命令，我们假设。注意是假设，这条

命令执行这么一个动作，叫做add后面是两个数

123，这个是321，这是对应的二进制数

什么意思呢，前面表示要做的事情，

后面是两个数，参与相加的两个数

所以说这条命令的含义就是把这两个数加起来，获得

一个结果。我们来看下这条命令的执行过程

首先呢，在控制器里面有个很重要的东西叫做命令记录员

它的职责就是记录当前执行到哪条命令，接下来要执行哪条命令

首先呢，在命令记录员的指引之下，找到当前要执行的命令

并且呢把这条命令提取出来，放到控制器中的命令暂存处

把它放进去

那么接下来呢，控制器里面的命令解释器就会对这个命令进行解释

看看它要做什么事情，然后解释之后呢，把这个结果传递给控制信号产生器，产生相应的控制信号

那解释过之后我们发现这条命令需要加两个数

所以接下来在控制器的控制之下，把这两个数再从存储器中提取出来

分别放入到运算器的两个数据缓存区里头

放进去结果就是这样的

然后接下来呢，控制信号产生器产生一个信号告诉计算电路，做这两个数的加法

于是呢，这两个数相加，并且得到一个计算结果

这就是一个简单的命令的执行过程

稍微总结一下，冯诺依曼式计算机的工作过程，就是这样的一个过程

就是不断的去执行这样一些操作的过程

循环的去不断执行这样的一些操作，在这个工作过程中

控制器起到一个协调其他部件工作的作用

首先在控制器的指挥下，取出一条待执行的命令

然后对这个命令进行解析按照命令的要求，再把相应的数据从存储器上取出来

放进运算器，然后呢，运算器运算获得结果

最后输出到这个设备上面。执行完这个过程后呢，再转向到下一条命令

继续执行，这个过程不断的循环

这就是冯诺依曼式计算机简要的一个工作过程。那有的同学可能问了，冯诺依曼式计算机包含的五个部分

和实际计算机的对应关系又是怎样的呢？这五个部分，我能够在

实际的计算机里面找到吗？我们来看这样的一张图，这个是一个被打开的机器

在冯诺依曼式计算机当中，运算器，控制器

以及存储器的一部分

这些主要的部件都被集中在这个位置

这个不是风扇，

在这个风扇的底下，埋藏着一颗心

这是打开风扇之后拿出来的东西这就是那个CPU

待会儿我们会讲，中央处理器。其实呢，运算器控制器

以及存储器的一部分都被集中在CPU里头

可以看到CPU真的是整个计算机最重要最重要的

一个部分，那个存储器中除了CPU所包含的这个部分之外

还有些什么呢，存储器包含在CPU里头的，叫做告诉缓存

待会儿我们会提到，除此之外

还有内存和外存。内存在计算机中位置也非常明显

大家看这个位置，这有一些插槽

这个插槽插上去的都是内存。

这是内存所在的位置，一般的机器可以插两条，或者4条上去

一般的机器都可以插两条或者四条上去除此之外还有一些设备也是用于存储的，大家看这里以及这里

底下呢是硬盘的位置，通常的这个是硬盘的位置，上面呢是光驱这些都是用来做存储的设备，只不过呢

他们跟计算机之间的连接比较松散，所以我们把它叫做外存

剩下的键盘呀，鼠标呀，都属于输入设备

显示器呀，打印机呀，都属于输出设备

这就是冯诺依曼式计算机和实际计算机之间的对应关系

OK，那接下来我们从这个部分开始，

先看一下存储器包含哪些种，他们的原理是什么，作用是什么。

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