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1冯·诺依曼结构


计算机导论

计算机系统结构
-冯· 诺依曼结构
计算机科学技术系
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电子计算机之父

Computer

?“电子计算机之父”的桂冠,被戴在数学家 冯· 诺依曼(J.Von Neumann)头上, 而不 是ENIAC的两位实际研究者,这是因为 冯· 诺依曼提出了现代电脑的体系结构。

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冯· 诺依曼小传-1

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?冯· 诺依曼是本世纪最伟大的科学家之一。 他1913 年出生于匈牙利首都布达佩斯,6岁能心算8位数 除法,8岁学会微积分,12岁读懂了函数论。通过 刻苦学习, 在17岁那年,他发表了第一篇数学论 文,不久后掌握七种语言,又在最新数学分支— —集合论、泛函分析等理论研究中取得突破性进 展。22岁,他在瑞士苏黎士联邦工业大学化学专 业毕业。 一年之后,摘取布达佩斯大学的数学博 士学位。 转而攻向物理,为量子力学研究数学模 型,又使他在理论物理学领域占据了突出的地位

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冯· 诺依曼小传-2
? 1928年,美国数学泰斗韦伯伦教授聘请这位26岁的柏林大学 讲师到美国任教, 冯· 诺依曼从此到美国定居。1933年,他 与爱因斯坦一起被聘为普林斯顿 大学高等研究院的第一批终 身教授。 数学史界却坚持说, 冯· 诺依曼是本世纪最伟大的 数学家之一,他在遍历理论、拓扑群理论等 方面作出了开创 性的工作, 算子代数甚至被命名为“冯· 诺依曼代数”。物 理学界表示,冯· 诺依曼在30年代撰写的《量子力学的数学基 础》已经被证明对 原子物理学的发展有极其重要的价值,而 经济学界则反复强调,冯· 诺依曼建立的经济增长模型体系, 特别是40年代出版的著作《博弈论和经济行为》,使 他在经 济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。 1957年2月8日, 冯· 诺依曼因患骨癌逝世于里德医院,年仅54岁。他对电脑科 学作出的巨大贡献,永远也不会泯灭其光辉!

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戈德斯坦请教问题

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?1944年夏,戈德斯坦在阿贝丁车站等候去费城的 火车,偶然邂逅闻名世界的大数学家冯· 诺依曼教 授。戈德斯坦抓住机会向数学大师讨教,冯· 诺依 曼和蔼可亲,耐心地回答 戈德斯坦的提问。听着 听着,他敏锐地从这些数学问题里,察觉到不寻 常事情。他反过来 向戈德斯坦发问,直问得年轻 人“好像又经历了一次博士论文答辩”。最后, 戈德斯坦毫 不隐瞒地告诉他莫尔学院的电子计算 机项目。

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从研制中产生思想
?他为阿贝丁试炮场的计算问题焦虑万分。 他希望到莫尔学院看看ENIAC的研制。 ?从此,他成为了莫尔小组的实际顾问, 与小组成员频繁地交换意见。年轻人机 敏地提出各种设想,冯· 诺依曼则运用他 渊博的学识,把讨论引向深入,并逐步 形成电子计算机的系统 设计思想。 。

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发现问题

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?在尚未投入运行前, 冯· 诺依曼就看出这台机器致 命的缺陷,主要弊端是程序 与计算两分离。程序 指令存放在机器的外部电路里,需要计算某个题 目,必须首先用人工 接通数百条线路,需要几十 人干好几天之后,才可进行几分钟运算。 冯· 诺依 曼决定起草一份新的设计报告,对电子计算机进 行脱胎换骨的改造。他把新 机器的方案命名为 “离散变量自动电子计算机”,英文缩写是 “EDVAC”

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著名的“101页报告”
?1945年6月,冯 · 诺依曼与戈德斯坦、勃 克斯等人,联名发表了一篇长达101页纸 的报告,即计算机史上著名的“101页报 告”,直到今天,仍然被认为是现代电 脑科学发展里程碑式的文献。报告明确 规定出计算机的五大部件,并用二进制 替代十进制运算。EDVAC方案的革命意 义在 于“存储程序”,以便电脑自动依 次执行指令。人们后来把这种“存储程 序”体系结构的 机器统称为“诺依曼 机”。
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ISA电子计算机

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?由于种种原因,莫尔小组发生令人痛惜的 分裂,EDVAC机器无法被立即研制。1946 年6月, 冯· 诺依曼和戈德斯坦、 勃克斯回 到普林斯顿大学高级研究院,先期完成了 另一台 ISA电子计算机(ISA是高级研究院 的英文缩写),普林斯顿大学也成为电子 计算机的研究中心。

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EDVAC计算机

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?直到1951年,在极端保密情况下,冯· 诺依 曼主持的EDVAC计算机才宣告完成,它不 仅可应用于科学计算,而且可用于信息检 索等领域,主要缘于“存储程序”的威力。 EDVAC只用了3563只电子管和1万只晶体二 极管,以1024个44比特水银延迟线来储存 程序和 数据,消耗电力和占地面积只有 ENIAC的1/3。

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EDSAC计算机
?最早问世的内储程序式计算机既不是ISA,也不是 EDVAC,英国剑桥大学威尔克斯(M.Wilkes)教 授,抢在冯· 诺依曼之前捷足先登。 ? 威尔克斯1946年曾到宾夕法尼亚大学参加冯· 诺依 曼主持的培训班,完全接受了冯· 诺依曼内储程序 的设计思想。回国后,他立即抓紧时间,主持新型 电脑的研制,并于1949 年5月,制成了一台由3000 只电子管为主要元件的计算机,命名为“EDSAC” (电子储存程序计算机)。威尔克斯后来还摘取了 1967年度计算机世界最高奖——“图林奖”。
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现代电脑的代名词

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?在冯· 诺依曼研制ISA电脑的期间,美国涌现了一 批按照普林斯顿大学提供的ISA照片 结构复制的 计算机。 如:洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的 MANIAC,伊利诺斯大学制造的 ILLAC。雷明 顿· 兰德公司科学家沃尔(W. Ware)甚至不顾 冯· 诺依曼的反对,把他研制 的机器命名为 JOHNIAC(“约翰尼克” ,“约翰”即冯· 诺依 曼的名字)。冯· 诺依曼的大名已经成为现代电脑 的代名词,1994年,沃尔被授予计算机科学先驱 奖,而冯· 诺依曼 本人则被追授予美国国家基础科 学奖。

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最主要的贡献

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1。程序存储 (解决人工干预,实现自动执行) 顺序指令集—程序—存储—指令计数器—自动 执行 2。计算机的组成 五部分:运算器、存储器、控制器、输入设备、 输出设备 三部分:CPU(运算器、控制器)、存储器、 I/O设备(输入设备、输出设备)
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冯· 诺依曼结构的特点
? 使用单一处理部件来完成计算、存储及通信 功能; ? 线性组织的定长存储单元(地址); ? 存储空间的单元是直接寻址的(地址); ? 使用低级机器语言,其指令完成基本操作码 的简单操作;

? 对计算进行集中的顺序控制(程序存储)。
? 首次提出“地址”和“程序存储”的概念。
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发展

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? 虽然冯· 诺依曼结构是计算机发展的基石, 但它有局限性。 ? “集中的顺序控制”是计算机发展的“瓶 颈”,以后计算机理论的发展,出现了非 冯· 诺依曼结构的计算机系统。 ? 重要性在于多机和并行处理的概念是计算 机发展的最主要的地方。

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