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1.2.1 冯·诺伊曼计算机的特点
1945年，数学家冯·诺伊曼在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念。以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺伊曼机。其特点如下：
- 计算机由运算器、储存器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成
- 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访
- 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数载存储器中的位置。
- 指令载存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可更具运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
- 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成
1.2.2 计算机的硬件框图
典型的冯·诺伊曼计算机结构框图
图中各部件功能如下：
- 运算器
完成算数运算和逻辑运算，并将运送的中间结果暂存载运算器内- 存储器
用来存放数据和程序- 控制器
用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果- 输入设备
用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式- 输出设备
可将机器运算结果转换为人熟悉的信息形式
而现代计算机可认为由三大部分组成：
-
CPU
-
I/O设备
-
主存储器（Main Memory, MM）
现代计算机的组成框图
1.2.3 计算机的工作步骤
计算机解决问题通常包含两大步骤：上机前的各种准备以及上机运行。
1. 上机前的准备
（1）建立数学模型
计算机解决问题的第一步是建立数学模型，其关键在于各种研究对象的变化规律属性等条件均可抽象以数学形式表述，由此可以将问题的研究抽象为对数据的研究，从而建立数学模型。
（2）确定计算方法
为简化数学模型中的复杂方程式，需确定其适合计算机运算的加减乘除计算方法。
（3）编制解题程序
程序是适合于机器运算的全部步骤，编制解题程序就是将运算步骤用一一对应的机器指令描述。
2. 计算机的工作过程
细化的计算机组成框图
（1）主存储器
| 存储体 | 存储单元 | 存储元件 | 一位二进制代码“0”或“1” | 存储字 | 存储字长 | 存储单元地址号 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 由存储单元构成 | 由若干存储元件构成 | 每个存储元件能够寄存一位二进制代码 | 计算机计算最基本的单元 | 一串二进制代码 | 一串二进制代码的位数 | 存储单元被赋予的编号 |
| 一栋大楼 | 楼房里的房间 | 房间里的一张床 | 床上有人与否（“0”、“1”表示状态） | 房间里的所有床 | 房间里床的数量 | 房间号 |
主存的工作方式是按存储单元的地址号来实行对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式称为按地址存取方式，即按地址访问存储器（简称访存）。
为了实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器：MAR和MDR
MAR(Memory Address Register)：存储器地址寄存器，用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个位。
MDR(Memory Data Register)：存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出的代码或准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。
随着硬件技术的发展，主存都制成大规模集成电路的芯片，而MAR和MDR则集成在CPU芯片中
（2）运算器
| 运算/操作数/寄存器 | 加法 | 减法 | 乘法 | 除法 |
|---|---|---|---|---|
| ACC | 被加数及和 | 被减数及差 | 乘积高位 | 被除数及余数 |
| MQ | 乘数及乘数地位 | 商 | ||
| X | 加法 | 减法 | 被乘数 | 除法 |
M：存储器的任一地址号
[M]：对应M地址号单元中的内容
X：X寄存器（操作数寄存器）
[X]：X寄存器中的内容
ACC（Accumulator）：累加器
[ACC（Accumulator）]：累加器中的内容
MQ(Multiplier-Quotient Register)：乘商寄存器
[MQ]：乘商寄存器中的内容
- 加法操作过程
[M] -> X
[ACC] + [X] -> ACC- 减法操作过程
[M] -> X
[ACC] - [X] -> ACC- 乘法操作过程
[M] -> MQ
[ACC] -> X
0 -> ACC
[X] * [MQ] -> ACC//MQ
注释：//表示两个寄存器串联- 除法操作过程
[M] -> X
[ACC] / [X] -> MQ
余数R在ACC中
（3）控制器
控制器工作三阶段：
- 取指过程：命令存储器独处一条指令
- 分析过程：对指令进行分析，指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址
- 执行过程：根据操作数所在的地址以及指令的操作码完成某种操作
控制器的构成：
- 程序计数器（Program Counter，PC）：用来存放当前欲执行指令的地址，与主存的MAR之间有一条直接通道，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。
- 指令寄存器（InstructionRegister，IR）：用来存放当前的指令，其内容来自主存的MDR。
- 控制单元器（CU）：用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种位操作命令序列，用以控制所有被控对象。
（4）I/O
I/O子系统中包括各种I/O设备及其相关接口。每一种I/O设备都由I/O接口与主机联系，他接收CU发出的各种控制命令，并完成相应的操作。
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