1.3.2 计算机硬件

计算机硬件是指构成计算机的元器件、部件、设备及它们的设计与实现技术。计算硬件是计算机的物质体现。在计算机问世初期，“计算机”一词实际上只是指计算机硬件。直到20世纪60年代，由于程序设计技术的进步，才引进了计算机硬件和软件的概念。从20世纪40年代诞生计算机以来，尽管硬件技术已经经过了四代，计算机体系结构已经取得了很大的发展，但计算机硬件的基本组成绝大部分仍然遵循冯·诺依曼组织原理。

冯·诺依曼（Von Naumanu）是匈牙利籍犹太人，从小有数学神童之称，后获数学博士学位。1930年到美国普林斯顿大学任教，并参与了制造原子弹的“曼哈顿计划”。1944年在火车站站台上巧遇美军军械师赫尔曼上尉（当时他是美军械部与ENIAC研制小组的联络员），并在他的引荐下，冯·诺依曼参观了第一台计算机ENIAC的研究工作。当时ENIAC正处在一些关键技术摇摆不定的紧急关头，他的出现解决了一些半梦半醒的问题，并提出了两个改进方案：以二进制代替十进制；采用存储程序方式。尽管由于各种原因ENIAC未采用冯·诺依曼提出的建议，但他的一些思想对ENIAC的研制工作起到了促进作用。冯·诺依曼在1945年6月发表了一篇著名论文“电子离散变量计算机（Electronic Discrete Variable Computer）”,论文中给出了现代计算机的雏形，为现代计算机奠定了坚实的理论基础。因此他被称为“电子计算机之父”。

那么，冯·诺依曼计算机的主要特点是什么呢？

（1）计算机由运算器、存储器、控制器、输入和输出五个部件组成，如图1.2所示。

① 运算器。进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，可从存储器取出或来自输入设备，运算结果或写入存储器，或通过输出设备输出。

图1.2 计算机基本组成

② 控制器。协调整个计算机系统的正常工作。它主要包括指令寄存器、指令译码器及时序控制器等部件，运算器与控制器一般又称为中央处理部件CPU（Central Processing Unit），它是计算机的核心部件。

③ 存储器。存放数据和程序的部件，它通过地址线和数据线与其他部件相连。

④ 输入/输出部件。包括各类输入/输出设备及相应的输入/输出接口。

（2）存储器以二进制数形式存储指令和数据。

（3）存储程序工作方式。存储器是一维线性编址，按址存取，指令从存储器逐条取出，串行执行。

（4）五部件以运算器为中心进行组织。这种由运算器和控制器包揽一切的组织方式，使计算机必须等待输入/输出操作完成后，才能进行下一个操作，影响了计算机的效率。后来代之以存储器为中心组织的计算机，批量的输入/输出数据可以直接在输入/输出设备和存储器之间进行交换，提高了效率。

根据冯·诺依曼的“存储程序工作方式”计算机这一最主要的特点，现实世界中某一问题，只要可以提出解决该问题的相应算法，从而编制有效的计算程序，该问题就可以在计算机中求解。正因为这一特点，也给现代计算机带来了一定的局限性：现实世界中还找不出有效算法或还无明确的计算方法的问题，计算机就显得无能为力了。几十年来，人们一直试图突破冯·诺依曼计算机的这一局限性，使计算机具有自学、推理、联想、思考等能力。一句话，使计算机更智能化、更聪明。