冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼（Von Neumann）体系结构是现代计算机的理论基础，其核心思想是“存储程序”。 重点

核心要点

1. 存储程序控制 (Stored-program Concept): 这是冯·诺依曼结构最核心的思想。将事先编好的程序和数据先存入主存储器中，然后启动计算机自动执行。 重点
2. 硬件五大部分:

   硬件五大部分

   1. 运算器 (ALU): 负责算术运算 and 逻辑运算。
   2. 控制器 (CU): 负责产生控制信号，指挥各部件工作。
   3. 存储器: 存放程序 and 数据。
   4. 输入设备: 将信息转换为机器能识别的形式。
   5. 输出设备: 将处理结果转换为人或其他设备能识别的形式。

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3. 二进制表示: 计算机内部使用二进制表示指令和数据。

电子计算机的定义

计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。 重点

• 自动化实现: 靠的是程序在存储器中的预先存放与自动执行。
• 基本操作: 各种信息处理最终都转化为二进制的算术运算（如加法）。

历史背景

• ENIAC (1946): 世界上第一台通用电子计算机。
  • 用途: 为美国军方计算弹道导弹的运动轨迹。
  • 物理特征: 重达 30 吨，占地面积 170 平方米。 重点
  • 性能: 每秒完成 5000 次加法运算。
  • 技术特点: 使用十进制描述数据（与现代计算机的二进制不同）。 重点
• 理论奠基: 1945 年由冯·诺依曼在关于 EDVAC 的报告草案中提出“存储程序”思想。第一台真正基于此思想的计算机诞生于 1951 年。

演进与对比

指令与数据存储结构

在计算机体系结构中，根据指令和数据的存储与传输方式，主要分为 冯·诺依曼体系结构 和 哈佛结构。

结构对比

• 存储空间:
  • 冯·诺依曼结构: 指令和数据混合存储在同一个存储器中。
  • 哈佛结构: 指令和数据分别存储在独立的存储器中。 重点
• 总线设计:
  • 冯·诺依曼结构: 共享一套总线，存在“冯·诺依曼瓶颈”（无法同时取指和取数）。
  • 哈佛结构: 拥有独立的程序总线 and 数据总线，支持并行访问。 重点
• 应用领域:
  • 冯·诺依曼结构: 通用计算机（如 PC、服务器）。
  • 哈佛结构: 嵌入式系统、DSP、现代 CPU 的 L1 Cache 设计。

现代演进

现代高性能 CPU 通常采用“混合结构”：在主存层面表现为冯·诺依曼结构以保证灵活性，而在 CPU 内部（如 L1 Cache）采用哈佛结构以提高性能。

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