1.1 计算机系统的基本工作原理

1.1.1 冯·诺依曼结构的基本思想

世界上第一台真正意义上的电子数字计算机是在1935—1939年间由美国艾奥瓦州立大学物理系副教授约翰·文森特·阿塔那索夫（John Vincent Atanasoff）和其合作者克利福特·贝瑞（Clifford Berry，当时还是物理系的研究生）研制成功的，用了300个电子管，取名为ABC（Atanasoff-Berry Computer）。不过这台机器只是一个样机，并没有完全实现阿塔那索夫的构想。

1946年2月，美国研制成功了真正实用的电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer），不过，其设计思想基本来源于ABC，只是采用了更多的电子管，运算能力更强大。它的负责人是莫克利（John W.Mauchly）和艾克特（John Presper Eckert），他们制造完ENIAC后就立刻申请并获得了美国专利。就是这个专利导致了ABC和ENIAC之间长期的“世界第一台电子计算机”之争。

1973年，美国明尼苏达地区法院给出正式宣判，推翻并吊销了莫克利的专利。虽然他们失去了专利，但是他们的功劳还是不能抹杀，毕竟是他们按照阿塔那索夫的思想完整地制造出了真正意义上的电子数字计算机。

现在国际计算机界公认的事实是：第一台电子计算机的真正发明人是美国的约翰·文森特·阿塔那索夫（1903—1995）。他在国际计算机界被称为“电子计算机之父”。

ENIAC的研制主要是为了解决美军复杂的弹道计算问题。它用十进制表示信息，通过设置开关和插拔电缆手动编程，每秒钟能进行5000次加法运算或50次乘法运算。1944年夏季的一天，冯·诺依曼巧遇美国弹道实验室的军方负责人戈尔斯坦。于是，冯·诺依曼被戈尔斯坦介绍加入了ENIAC研制组。在研制ENIAC的同时，冯·诺依曼等人开始考虑研制另一台电子计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。1945年，冯·诺依曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的报告，发表了全新的存储程序（stored-program）通用电子计算机方案，宣告了现代计算机结构——冯·诺依曼结构的诞生。

存储程序方式的基本思想是：必须将事先编好的程序和原始数据送入主存后才能执行程序，一旦程序被启动执行，计算机能在不需操作人员干预下自动完成逐条指令取出和执行的任务。

从20世纪40年代计算机诞生以来，尽管硬件技术已经经历了电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路等发展阶段，计算机体系结构也取得了很大发展，但绝大部分通用计算机硬件组成仍然具有冯·诺依曼结构特征。

冯·诺依曼结构的基本思想主要包括以下几个方面。

• 采用“存储程序”工作方式。

• 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分组成。

• 存储器不仅能存放数据，也能存放指令，数据和指令在形式上没有区别，但计算机应能区分它们；控制器应能自动执行指令；运算器应能进行算术运算，也能进行逻辑运算；操作人员可以通过输入设备和输出设备使用计算机。

• 计算机内部以二进制形式表示指令和数据；每条指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址；由一串指令组成程序。