01 计算机系统层次结构和冯·诺依曼计算机

目录

1、计算机系统层次结构

2、冯·诺依曼计算机

2.1、冯·诺依曼计算机的特点

2.1.1、硬件方面

2.1.2、存储方面

2.1.3、指令方面

2.2、计算机的硬件框图

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1、计算机系统层次结构

计算机像套娃，最外层是程序员用的Python/Java，往里变成汇编代码，接着是操作系统管家，最里面是二进制机器码，最底层是控制硬件的微指令。

[五层架构示意图]
高级语言机器 → 汇编语言机器 → 操作系统机器 → 机器语言机器 → 微指令系统

2、冯·诺依曼计算机

1945年提出的经典架构，至今仍是主流计算机的基础设计，其核心特征可用以下公式表示：

计算机=存储器+运算器+控制器+输入设备+输出设备

2.1、冯·诺依曼计算机的特点

2.1.1、硬件方面

1. 计算机是由运算器（做算术）、存储器（存东西）、控制器（发指令）、输入设备（收材料）、输出设备（交成果）五大部件组成
2. 所有输入设备的数据必须经过运算器才能存入存储器（类似快递必须经过分拣中心）

2.1.2、存储方面

1. 指令（操作手册）和数据（原材料）混存（同等地位）在同一个存储器，且冯诺依曼计算机未要求指令和数据分开存储。→ 注意：这是与哈佛架构（指令数据分开放）最大区别
2. 所有指令和数据统一用二进制表示（计算机界的世界语）

2.1.3、指令方面

1. 指令 = 操作码（如"加/减/跳转"） + 地址码（如"原材料在3号货架"）
2. 指令在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，可根据运算结果和设定的条件改变执行顺序

以下是经典的冯洛伊曼计算机结构框图：

2.2、计算机的硬件框图

冯洛伊曼计算机是由运算器为中心的，现代的计算机已经转化以存储器为中心：

以下为各个部件的功能：

1. 运算器：用来完成算数运算和逻辑运算，并将运算的中间结果存在运算器中
2. 存储器：用来存放数据和程序
3. 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
4. 输入设备：将人们熟悉的信息转化为机器识别的信息格式
5. 输出设备：将机器运算的结果转化为人们熟悉的信息格式

计算机系统由五大核心部件组成，这些部件在控制器的统一调度下协调工作。值得注意的是，由于运算器（负责数据计算）和控制器（负责指令解析）需要高频交互，现代计算机通常将这两个关键部件集成在同一个芯片上，形成中央处理器（CPU）。

经过这样的整合，计算机可简化为三大组成部分：

1. CPU（中央处理器）：承担运算与控制双重任务
2. 主存储器（内存）：临时存储运行中的程序和数据
3. I/O设备：包含输入设备（如键盘鼠标）和输出设备（如显示器打印机）

其中，CPU与主存储器共同构成计算机的"主机"部分，而I/O设备则作为主机与外界交互的桥梁。这种结构划分既体现了硬件系统的功能分层，又便于理解计算机的基本工作原理。