冯·诺依曼计算机的设计思想与特点

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。冯·诺依曼是罗兰大学数学博士，是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”。

如图所示的计算机结构是冯·诺依曼在1946年提出的。他基于此硬件结构提出计算机是依据存储程序、程序控制的方式工作的。这就是冯·诺依曼计算机的设计思想。

 早期的计算机由运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备五大部件构成。运算器用以实现算术运算和逻辑运算;控制器根据指令信息产生相应的控制信号，控制其他部件的工作，以实现指令的功能;存储器用来存放数据和程序;输人设备可将外部的信息输入到计算机中;输出设备则接收计算机处理的结果，并做出显示、存储等操作。

冯·诺依曼计算机工作的基本思想就是:将计算机要处理的问题用指令编成程序，并将程序存放在存储器中，在控制器的控制下，从存储器中逐条取出指令并执行，通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。尽管经历了几十年的发展，也出现了新的设计思想，但冯·诺依曼的这种存储程序控制原理直到今天仍然在广泛地应用。

冯·诺依曼计算机的特点可归纳如下:

计算机由运算器(算术逻辑部件ALU)、存储器、控制器、输人设备和输出设备五大部件组成。

指令和数据以二进制形式表示，以同等地位存放在存储器中，并可按地址访问。用二进制不仅电路简单，使用方便，而且抗干扰能力强。

指令由操作码和地址码组成。操作码指明指令的功能，地址码指明操作数与运算结果的存放位置(地址)。

将计算机要处理的问题用指令编成程序。

在控制器的控制下，指令被遂条(顺序)从存储器中取出来执行，产生控制流，在控制流的驱动下完成指令的功能。在此过程中，数据(流)则是被动地调用。

在特定条件下，可由跳转类指令根据运算结果或设定的条件改变程序中指令的执行顺序。

早期的冯诺依曼计算机以运算器为中心，输人/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

计算机的发展已走过了七八十年，尤其是最近30年，其规模、结构更是日新月异，但存储程序控制这一基本的冯·诺依曼工作原理到目前为止还没有发生根本变化，而正在研制中的量子计算机有望开创出新的计算机工作原理。