1.3.2 計算機的工作原理

1.馮·諾依曼工作原理

1946年ENIAC 誕生后，美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼簡化了計算機的結構，提出了計算機“存儲程序”的基本原理，提高了計算機的速度，奠定了現(xiàn)代計算機設計的基礎。馮·諾依曼原理可以概括為以下3個基本點：

（1）計算機系統(tǒng)應由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部件組成，并規(guī)定了這五個部分的基本功能。

（2）計算機內(nèi)部應采用二進制數(shù)來表示指令和數(shù)據(jù)。

（3）將編好的程序和數(shù)據(jù)存儲在主存儲器中，計算機在運行時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并執(zhí)行。

其工作原理的核心是“程序存儲”和“程序控制”，就是通常所說的“順序存儲程序”概念，按照這一原理設計的計算機被稱為“馮·諾依曼型計算機”。

馮·諾依曼的這些理論的提出，解決了計算機的運算自動化問題和速度配合問題，對后來計算機的發(fā)展起到了決定性的作用。直至今天，絕大部分的計算機還是采用馮·諾依曼原理的工作方式。

2.指令及其執(zhí)行過程

指令是計算機能夠識別和執(zhí)行的一些基本操作，通常包含操作碼和操作數(shù)兩部分。操作碼規(guī)定計算機要執(zhí)行的基本操作類型，如加法操作；操作數(shù)則告訴計算機哪些數(shù)據(jù)參與操作。計算機系統(tǒng)中所有指令的集合被稱為計算機的指令系統(tǒng)。每種計算機都有一套自己的指令系統(tǒng)，它規(guī)定了該計算機所能完成的全部基本操作，如：數(shù)據(jù)傳送、算術和邏輯運算、I/O等。一條指令的執(zhí)行過程可以分為下面4個步驟。

（1）取出指令：把要執(zhí)行的指令從內(nèi)存取到CPU中；

（2）分析指令：把指令送到指令譯碼器中進行分析；

（3）執(zhí)行指令：根據(jù)指令譯碼器的譯碼結果向各個部件發(fā)出相應的控制信號，完成指令規(guī)定的操作功能；

（4）形成下條指令的地址：為執(zhí)行下條指令做好準備。

3.程序的執(zhí)行過程

程序是由若干條指令構成的指令序列。計算機運行程序時，實際上是順序執(zhí)行程序中所包含的指令，即不斷重復“取出指令、分析指令、執(zhí)行指令”這個過程。

計算機在接收到指令后，由控制器指揮，將程序和數(shù)據(jù)輸入到存儲器中，計算機的控制器按照程序中的指令序列，把要執(zhí)行的指令從內(nèi)存讀取到CPU中，分析指令功能，進而發(fā)出各種控制信號，指揮計算機中的各類部件執(zhí)行該指令。這種取出指令、分析指令、執(zhí)行指令的操作不斷地重復執(zhí)行，直到構成程序的所有指令全部執(zhí)行完畢，就完成了程序的運行，實現(xiàn)了相應的功能。程序的執(zhí)行過程如圖1-3所示。

馮·諾依曼的工作原理從本質上講是采取串行順序處理數(shù)據(jù)的工作機制，即使有關的數(shù)據(jù)都已準備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。因此，近年來人們在謀求突破傳統(tǒng)馮·諾依曼體制的束縛，以提高計算機的運算速度和性能。