1.3.2 計算機硬件

計算機硬件是指構成計算機的元器件、部件、設備及它們的設計與實現技術。計算硬件是計算機的物質體現。在計算機問世初期，“計算機”一詞實際上只是指計算機硬件。直到20世紀60年代，由于程序設計技術的進步，才引進了計算機硬件和軟件的概念。從20世紀40年代誕生計算機以來，盡管硬件技術已經經過了四代，計算機體系結構已經取得了很大的發展，但計算機硬件的基本組成絕大部分仍然遵循馮·諾依曼組織原理。

馮·諾依曼（Von Naumanu）是匈牙利籍猶太人，從小有數學神童之稱，后獲數學博士學位。1930年到美國普林斯頓大學任教，并參與了制造原子彈的“曼哈頓計劃”。1944年在火車站站臺上巧遇美軍軍械師赫爾曼上尉（當時他是美軍械部與ENIAC研制小組的聯絡員），并在他的引薦下，馮·諾依曼參觀了第一臺計算機ENIAC的研究工作。當時ENIAC正處在一些關鍵技術搖擺不定的緊急關頭，他的出現解決了一些半夢半醒的問題，并提出了兩個改進方案：以二進制代替十進制；采用存儲程序方式。盡管由于各種原因ENIAC未采用馮·諾依曼提出的建議，但他的一些思想對ENIAC的研制工作起到了促進作用。馮·諾依曼在1945年6月發表了一篇著名論文“電子離散變量計算機（Electronic Discrete Variable Computer）”,論文中給出了現代計算機的雛形，為現代計算機奠定了堅實的理論基礎。因此他被稱為“電子計算機之父”。

那么，馮·諾依曼計算機的主要特點是什么呢？

（1）計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入和輸出五個部件組成，如圖1.2所示。

① 運算器。進行算術運算和邏輯運算的部件，運算數據以二進制格式給出，可從存儲器取出或來自輸入設備，運算結果或寫入存儲器，或通過輸出設備輸出。

② 控制器。協調整個計算機系統的正常工作。它主要包括指令寄存器、指令譯碼器及時序控制器等部件，運算器與控制器一般又稱為中央處理部件CPU（Central Processing Unit），它是計算機的核心部件。

③ 存儲器。存放數據和程序的部件，它通過地址線和數據線與其他部件相連。

④ 輸入/輸出部件。包括各類輸入/輸出設備及相應的輸入/輸出接口。

（2）存儲器以二進制數形式存儲指令和數據。

（3）存儲程序工作方式。存儲器是一維線性編址，按址存取，指令從存儲器逐條取出，串行執行。

（4）五部件以運算器為中心進行組織。這種由運算器和控制器包攬一切的組織方式，使計算機必須等待輸入/輸出操作完成后，才能進行下一個操作，影響了計算機的效率。后來代之以存儲器為中心組織的計算機，批量的輸入/輸出數據可以直接在輸入/輸出設備和存儲器之間進行交換，提高了效率。

根據馮·諾依曼的“存儲程序工作方式”計算機這一最主要的特點，現實世界中某一問題，只要可以提出解決該問題的相應算法，從而編制有效的計算程序，該問題就可以在計算機中求解。正因為這一特點，也給現代計算機帶來了一定的局限性：現實世界中還找不出有效算法或還無明確的計算方法的問題，計算機就顯得無能為力了。幾十年來，人們一直試圖突破馮·諾依曼計算機的這一局限性，使計算機具有自學、推理、聯想、思考等能力。一句話，使計算機更智能化、更聰明。