什么是“冯·诺依曼结构”？

上一篇文章中，我们提到：今天的计算机依然是基于20世纪40年代冯·诺依曼提出的“冯·诺依曼结构”，或者叫“冯·诺依曼体系结构”。

那么什么是“冯·诺依曼结构”呢？

1945年，冯.诺依曼写了一篇报告：First Draft of a Report on the EDVAC，描述了他心目中的一台计算机应该长什么样。这篇报告在历史上有个很特殊的简称，叫First Draft，翻译成中文，其实就是《第一份草案》。这样，现代计算机的发展就从祖师爷冯诺依曼写的一份草案开始了。

冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构，又称“普林斯顿结构”。

下面我们分别对这三个原则进行通俗的解释，尽可能不涉及过于专业的表述。

一、二进制逻辑

我们日常使用的是“十进制”，就是逢“十”进位，那么二进制就是逢“二”进位。

比如十进制中我们数数是：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……99、100……

在二进制中数数就是：0、1、10、11、100、101、110、111……

关于二进制，后续可以专门进行科普。

二、程序存储执行（此部分看不懂的可以直接忽略）

早期的计算机是由各种门电路组成的，这些门电路通过组装出一个固定的电路板，来执行一个特定的程序，一旦需要修改程序功能，就要重新组装电路板，所以早期的计算机程序是硬件化的！

此阶段，程序和数据是两个截然不同的概念，数据放在存储器中，而程序作为控制器的一部分，这样的计算机计算效率低，灵活性较差。

冯.诺依曼结构中，将程序和数据一样看待，将程序编码为数据，然后与数据一同存放在存储器中，这样计算机就可以调用存储器中的程序来处理数据了。意味着，无论什么程序，最终都是会转换为数据的形式存储在存储器中，要执行相应的程序只需要从存储器中依次取出指令然后执行，冯.诺依曼结构的精髓所在正是这里：减少了硬件的连接。这种设计思想导致了硬件和软件的分离，即硬件设计和程序设计可以分开执行！这就催生了程序员这个职业的诞生！

三、计算机的五个组成部分

祖师爷设计了计算机由以下五个部分组成：

计算机组成部分

本文不进行详细的解释，只是举几个例子。

当代CPU集成了控制器和运算器，类似于人类的大脑，是整个计算机的核心。

输入设备：比如键盘、鼠标等；

存储器：比如电脑的内存就、硬盘等，现代CPU还内置缓存；

输出设备：比如显示器、打印机等，都属于输出设备。

结语

不同于早期的计算机，基于冯诺依曼结构的计算机被认为是现代计算机，冯·诺依曼结构奠定了现代计算机的基础，时至今日，我们依然基于这些基本的理论在制造计算机。