冯诺依曼计算机设计思想与结构解析

冯.诺依曼型计算机，也被称为存储程序计算机，是由计算机科学先驱约翰·冯·诺依曼在20世纪40年代提出的一种计算机体系架构。这种设计思想的核心在于将程序和数据分开存储，并且采用指令驱动的方式进行操作。它的主要组成部分包括： 1. 运算器：负责执行各种算术和逻辑运算，如加法、减法、乘法、除法等。 2. 控制器：指挥和协调整个计算机系统的运行，解析指令、决定下一条指令的执行顺序，并管理数据流动。 3. 存储器：分为内存储器（主存）和外存储器（辅存）。内存储器用于存放正在执行的程序和临时数据，外存储器用于长期保存数据和程序。 4. 输入设备：允许用户或外部设备向计算机输入数据，例如键盘、鼠标、扫描仪等。 5. 输出设备：将计算机的处理结果以可见形式输出，如显示器、打印机、扬声器等。 冯.诺依曼计算机的工作原理是通过以下几个步骤实现的： - 取指周期：从内存中读取指令，指令流通过总线和CPU内部数据通路传递给控制器。 - 指令解码：控制器分析指令，确定操作类型和操作数地址。 - 执行周期：数据流从内存或I/O设备中读取，根据指令要求送至运算器，运算器执行指令并可能产生结果。 - 数据处理：运算器处理数据，结果可能需要写回内存或输出到外设。 - 状态更新：根据运算结果和指令执行情况更新计算机状态，如条件判断和控制转移。 关于运算方法和运算器部分，该章节讨论了整数的表示方法，如原码、补码和反码。这些编码方式用于处理负数，特别是补码方法，通过最高位（符号位）来表示数值的正负。例如，整数-35、128、-127和-1的二进制表示和它们的补码形式都被详细列出。 此外，还演示了如何使用变形补码进行加法运算，如计算X+Y的过程，通过比较运算结果和最大/最小正数的补码来判断是否存在溢出。对于给定的两个数（X=11011和Y=00011）的加法，结果为11110，没有溢出；而对于(X=-10110，Y=-00001)的加法，由于进位产生了溢出，结果无法直接表示。 总结起来，冯.诺依曼计算机的设计思想及其组成部分为理解现代计算机的基本工作原理提供了基础，而运算方法和运算器部分则涉及了计算机底层的算术运算处理机制。