一 : 【计算机组成与系统结构】计算机的发展与冯·诺依曼结构

上一篇文章写了第一台电子计算机的诞生过程，这片文章按着时间发展继续讲故事。[www.61k.com）

第一代计算机(20世纪40年代~50年代) - 电子管。

关键字：低级语言。

1944年8月，那时ENIAC还没完成，而此时莫齐利和埃克特便提出了下一台计算机EDVAC的建造计划。和ENIAC一样，EDVAC也将用于美国军方的弹道计算。到了1945年，后来被称为现代计算机之父的约翰·冯·诺依曼（John Von Neumann）作为技术顾问参与EDVAC的研究。就在这一年6月，冯·诺依曼提出了“存储程式”的思想。大致内容就是：必须将指令和数据送入主存后计算机才能执行程序，而且一旦程序启动后，计算机能在没有人为操作的情况下继续读取下一指令和数据完成相应任务。

同时他也提出了一种计算机的结构方案，这种方案后来被称为冯·诺依曼结构或者普林斯顿体系结构。

该结构包括以下内容：

1.采用“存储程式”的思想。

2.计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个基本部件组成。其中控制器控制指令的进行，运算器能做数值运算和逻辑运算，存储器能存储数据也能存储指令(事实上数据和指令的形成是一致的，都是一串二进制数，但是计算机应能识别)，操作人员通过输入设备和输出设备与计算机交互。

3.指令和数据采用二进制表示，其中指令包括操作码和地址码两部分组成，操作码指出操作类型，地址码指出数据地址。一串指令就组成一个程序。

冯·诺依曼结构的提出非常重要，从此以后的计算机都采用冯·诺依曼结构，按此结构建造的计算机被称为存储程式计算机，直到今天的计算机都是存储程式计算机。而EDVAC也是第一台按照冯·诺依曼结构建造的计算机。该计算机于1949年8月交给美国弹道研究实验室，但是发现了很多问题，直到1951年才正式运行。不过EDVAC却不是第一台建造完成的存储程式计算机。第一台存储程式计算机是由英国剑桥大学制造的，于1949年就投入使用。之后几年又诞生了几台存储程式计算机。

后来把这些计算机统称为第一代计算机，第一代计算机体积大、费用昂贵，只用作特别研究，无法大量生产。

下图为EDVAC

下图为EDSAC

第二代计算机(20世纪50年代~60年代) - 晶体管。

关键字：高级语言、软件。

1947年，美国贝尔实验室诞生了世界上第一只晶体管。几年后，晶体管作为计算机新的材料取代了电子管。从此计算机发生了质的变化。因为电子管的体积大、功耗高、寿命短。而晶体管体积小、功耗低、寿命也比较长。1954年，贝尔实验室制造出第一台晶体管计算机TRADIC，这台计算机大概有衣柜那么大(虽然还是很大但是和第一代比已经小很多了)，装有800个晶体管。第二代计算机比第一代计算机有更强的计算能力，最大的改善在浮点数运算方面。另外在此期间出现了高级语言和软件的概念。

下图为TRADIC

第三代计算机(20世纪60年代~70年代) - 集成电路。

关键字：操作系统。

1958年，美国德州仪器公司和仙童半导体公司几乎同时发明了集成电路。同样也是过了几年后，集成电路也开始用于计算机的制造。1964年IBM 公司一次性推出了采用集成电路的6种型号的计算机，也就是360系列，分大、中、小型。第三代计算机比第二代比速度更快、容量更大、功耗更低、体积更小、价格更低。此时的运算速度已经达到每秒百万级别。另外在此期间出现了操作系统的概念。

下图为IBM 360/91

第四代计算机(20世纪70年代末至今) - 超大规模集成电路。

关键字：互联网。

第四代计算机和第三代计算机一样都是采用集成电路技术，只不过第四代称为超大规模集成电路。其实就是人们工艺上的进步能在一块芯片上集成更多的晶体管。超大规模只是个称呼而已，最开始只有4只晶体管，历史上把几个几十个叫小规模，几百几千个叫中规模，几万几十万叫大规模，几百万几千万就叫超大规模了。如今的集成数量已经是百亿级别了。这当中有一个规律叫摩尔定律，是由英特尔公司的戈登·摩尔于1965年提出来的，内容是：一块芯片上集成的晶体管数目每过18个月翻一番。而更高的集成度代表了更快的速度、更大的容量等等。另外互联网也是第四代计算机的标志。

下图为现在的苹果电脑

二 : 名人故事：计算机之父冯·诺依曼

　　20世纪即将过去，21世纪就要到来。我们站在世纪之交的大门槛，回顾20世纪科学技术的辉煌发展时，不能不提及20世纪最杰出的家之一的冯·诺依曼。众所周知，1946年发明的电子计算机，大大促进了科学技术的进步，大大促进了社会的进步。鉴于冯·诺依曼在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为"计算机之父".

　　约翰·冯·诺依曼（JohnVonNouma，1903－1957），美藉匈牙利人，1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯，是一个银行家，家境富裕，十分注意对的教育。冯·诺依曼从小聪颖过人，兴趣广泛，读书过目不忘。据说他6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈，一生掌握了七种语言。最擅德语，可在他用德语思考种种设想时，又能以阅读的速度译成英语。他对读过的书籍和论文。能很快一句不差地将内容复述出来，而且若干年之后，仍可如此。1911年一1921年，冯·诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期间，就崭露头角而深受的器重。在费克特老师的个别指导下并合作发表了第一篇数学论文，此时冯·诺依曼还不到18岁。1921年一1923年在苏黎世。很快又在1926年以优异的获得了布达佩斯大学数学博士学位，此时冯·诺依曼年仅22岁。1927年一1929年冯·诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。1930年接受了普林斯顿大学客座的职位，西渡美国。1931年成为该校终身教授。1933年转到该校的高级研究所，成为最初六位教授之一，并在那里了一生。冯·诺依曼是普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、哈佛大学、伊斯坦堡大学、马里兰大学、哥伦比亚大学和慕尼黑高等技术学院等校的荣誉博士。他是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且学院等院的院土。1954年他任美国原子能委员会委员；1951年至1953年任美国数学会主席。

　　1954年夏，冯·诺依曼被使现患有癌症，1957年2月8日，在华盛顿去世，终年54岁。

　　冯·诺依曼在数学的诸多领域都进行了开创性工作，并作出了重大贡献。在第二次世界大战前，他主要从事算子理论、鼻子理论、集合论等方面的研究。1923年关于集合论中超限序数的论文，显示了冯·诺依曼处理集合论问题所特有的方式和风格。他把集会论加以公理化，他的公理化体系奠定了公理集合论的基础。他从公理出发，用代数导出了集合论中许多重要概念、基本运算、重要定理等。特别在1925年的一篇论文中，冯·诺依曼就指出了任何一种公理化系统中都存在着无法判定的命题。

　　1933年，冯·诺依曼解决了希尔伯特第5问题，即证明了局部欧几里得紧群是李群。1934年他又把紧群理论与波尔的殆周期函数理论统来。他还对一般拓扑群的结构有深刻的认识，弄清了它的代数结构和拓扑结构与实数是一致的。他对其子代数进行了开创性工作，并莫定了它的理论基础，从而建立了算子代数这门新的数学分支。这个分支在当代的有关数学文献中均称为冯·诺依曼代数。这是有限维空间中矩阵代数的自然推广。冯·诺依曼还创立了博奕论这一现代数学的又一重要分支。1944年发表了奠基性的重要论文《博奕论与经济行为》。论文中包含博奕论的纯粹数学形式的阐述以及对于实际博奕应用的详细说明。文中还包含了诸如统计理论等教学思想。冯·诺依曼在格论、连续几何、理论物理、动力学、连续介质力学、气象计算、原子能和经济学等领域都作过重要的工作。

三 : 冯·诺依曼型计算机硬件组成

冯·诺依曼型计算机

存储程序

按地址自动执行

五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备

以运算器为中心

运算器

算术运算和逻辑运算

在计算机中参与运算的数是二进制的

运算器的长度一般是8、16、32或64位

存储器

•存储数据和程序(指令)

•容量(存储单元、存储单元地址、容量单位)

•分类内存(ROM、RAM)、外存

•存储器单位：

–210 byte=1K

–210 K=1M

–210 M=1G

–210 G=1T

控制器

指令和程序:指令的形式(操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统)

指令和数据存储

控制器的基本任务

控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期

控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器;而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。

(www.61k.com”

（犇-嫑）适配器与I/O设备

输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式

输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式

适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作

总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。

总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。

四 : 什么是冯·诺依曼计算机？

什么是冯·诺依曼计算机?

什么是冯·诺依曼计算机？的参考答案

数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行.

根据冯诺依曼体系结构构成的计算机,必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中.

必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力.

能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力.

能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作.

能够按照要求将处理结果输出给用户.

为了完成上述的功能,计算机必须具备五大基本组成部件,包括：

输人数据和程序的输入设备记忆程序和数据的存储器完成数据加工处理的运算器控制程序执行的控制器输出处理结果的输出设备

本文标题：冯诺依曼计算机结构-【计算机组成与系统结构】计算机的发展与冯·诺依曼结构
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