国家存储器基地与长江存储

2．2．2　计算机的工作原理

计算机硬件种类繁多，在规模、处理能力、价格、复杂程度和设计技术等方面都有很大的差别，但到目前为止各种计算机的原理都是相同的。美国数学家冯·诺依曼（Von Neumann）于1946年提出了“存储程序控制计算机”的设想，确定了计算机的基本结构和工作方式。

1）计算机的基本结构

冯·诺依曼计算机的体系结构应包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五大基本功能部件，各个部件通过总线相连，其基本结构如图2．18所示。运算器用于完成各种运算，存储器用于保存数据和程序，输入设备用于从外部读入数据，输出设备用于将计算结果显示或打印出来，控制器用于控制各部件协调地进行工作。

图2．18　计算机基本结构

2）采用二进制形式表示数据和程序

对于冯·诺依曼体系结构的计算机，数据和程序都是以二进制形式存储在存储器中的。早期的计算机为了符合人们使用十进制的习惯，往往设计复杂。冯·诺依曼提出任何数据都可以用二进制表示，这大大简化了计算机的结构，提高了运算速度。

3）采用存储程序控制方式

存储程序是冯·诺依曼思想的核心内容。存储程序控制原理是指人们把要解决的各种问题先编制成程序，然后通过输入设备送入计算机的存储器中。程序及其处理的数据在存储器中都使用二进制表示。计算机工作时，从存储器中取出每条指令，加以分析和识别，然后按照每条指令规定的功能执行相应的操作。计算机执行完一段程序后，将获得的处理结果保存到存储器中，或者通过输出设备输出。

60多年来，尽管计算机以惊人的速度发展，但就结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在“存储程序”概念的基础上。当然，冯·诺依曼结构计算机也存在一些缺点，它在并行处理、知识处理方面的性能较低。目前已出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机，统称“非冯·诺依曼结构计算机”，如数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。