一、冯·诺依曼结构计算机的组成

1、冯·诺依曼是“计算机之父”

2、冯·诺依曼计算机的工作原理

（1）存储程序：将程序存放在计算机的存储器中；

（2）程序控制：按指令地址访问存储器并取出指令，经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算机的控制，完成指令的功能。

3、冯·诺依曼计算机和现代计算机的特点

（1）冯·诺依曼计算机

        - 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五个部分组成

        - 存储器以二进制形式存储指令和数据；

        -指令由操作码和地址码组成；

        - 计算机能够存储程序并按地址顺序执行

        - 以运算器为中心

（2）现代计算机

        -将运算器、控制器和片内高速缓存，统称为CPU,而将CPU、主存储器、输入输出接口和系统总线统称为主机，其余设备为外设。（主机仅包含主存储器，即内存。硬盘、光盘等辅助存储器属于I/O设备）

        - 以存储器为中心：减少CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能。

4、冯·诺依曼计算机的组成（硬件+软件）

（1）硬件系统

主机：CPU（运算器+控制器）、内存

外设：输入设备、输出设备、外存设备

总线：地址线、数据线、控制线

（2）硬件系统 - 运算器：处理所有的算术及逻辑运算

                特点：& 采用二进制数据进行运算；

                           & 运算器依次可以处理的数据位数称为机器字长

                           & 机器字长一般为8、16、32/64位，直接决定着运算的精度和能力。

（3）硬件系统 - 存储器：保存所有的程序和数据

                  特点：& 二进制形式保存程序和数据；

                             & 存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；

               相关的概念：& 存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；

                                     & 存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；

                                     & 单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；

                                     & 存储容量：一个存储器能够保存的二进制信息的总量；

                                （注意：不同系统中的存储器组织方式并不一定相同）

                分类：& 外存（辅助存储器）：磁盘存储器、光盘存储器。CPU不可直接访问。

                           & 内存（主存储器）：半导体存储器。CPU直接访问，存放当前系统运行所需要的所有的程序和数据。

                两个与主存相关的寄存器：

                                MAR（存储器地址寄存器）：接收由CPU送来的信息。

                                MDR（存储器数据寄存器）：作为外界与存储器之间的数据通路。

 （4）硬件系统 - 控制器：根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机而各部件的工作。

        主要任务：- 解释并执行指令；

                          - 控制指令的执行顺序；

                          - 负责指令执行过程中，操作数的寻址；

                          - 根据指令的执行，协调相关部件的工作（如运算类执行指令对标致寄存器的影响设置）

        指令形式：- 操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；

                          - 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。

         控制器工作的周期：- 取指周期：取指令的一段时间

                                          - 执行周期：执行指令的一段时间。

        指令按顺序执行的控制部件：指令计数器

                                          - 每取出一条指令，指令计数器就加1；

                                          - 遇到转移类指令，控制器根据指令设置指令计数器的值。

        相关概念：- 数据字：该字表示要处理的数据；

                          - 指令字：该字为一条指令；

                          - 指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；

                          - 数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。 

  （5）硬件系统 - 输入/输出设备：             

                输入设备：向计算机输入数据（键盘、鼠标、网卡、扫描仪等）

                输出设备：输出结果处理（显示器、声卡、网卡、打印机等）

（6）软件系统：（软件：可运行的思想和内容的数字化，核心：算法）

（7）硬件和软件之间的联系：相互依存，协同发展（逻辑等效性）

5、计算机系统性能评价

（1）非时间指标

        1）吞吐量：表征一台计算机在某时间间隔内能够处理的信息量

        2）响应时间：从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位表示。

        3）利用率：在给定时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。

        4）处理机字长（机器字长）：处理机运算中以此能够完成的二进制运算的为数，如32、64位。机器字长与系统数据总线宽度具有一定相关性。

         5）总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息的为数

        6)  存储器容量：指一台计算机主存所包含的存储单元总数。

        7）存储宽度：单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位B/s（字节/每秒）

（2）时间指标

        1）主频f：CPU主时钟的频率，其倒数为时钟周期。f越高，T越小（f=100MHz时T=10ns）

        2）外频：指CPU（内存）与主板之间同步到时钟频率（系统总线的工作频率）

        3）倍频：CPU主频与外频之间的倍数（主频=外频x倍频）

        4）CPU执行时间：CPU执行一段程序所占用的CPU时间；

                CPU执行时间 = 程序总的CPU时钟周期数 x CPU时钟周期

        5）CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数

                CPI = 程序中断CPU时钟周期数  /  程序包含的指令条数

        6）MIPS：每秒白万指令数，即单位时间内执行的指令数；

                MIPS = 指令数 / 程序执行时间