計(jì)算機(jī)工作原理

計(jì)算機(jī)工作原理馮·諾依曼提出的原理01基本原理硬件演變指令技術(shù)指標(biāo)目錄03050204基本信息計(jì)算機(jī)的基本原理主要分為存儲程序和程序控制，預(yù)先要把控制計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行操作的指令序列（稱為程序）和原始數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。每一條指令中明確規(guī)定了計(jì)算機(jī)從哪個地址取數(shù)，進(jìn)行什么操作，然后送到什么地址去等步驟?；驹砘驹碛?jì)算機(jī)在運(yùn)行時，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的運(yùn)算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結(jié)果送到內(nèi)存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進(jìn)行下去。直至遇到停止指令。程序與數(shù)據(jù)一樣存取，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成指令規(guī)定的操作是計(jì)算機(jī)最基本的工作原理，這一原理最初是由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮.諾依曼于1945年提出來的，故稱為馮.諾依曼原理，馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的工作原理可以概括為八個字：存儲程序、程序控制

。存儲程序---將解題的步驟編成程序（通常由若干指令組成），并把程序存放在計(jì)算機(jī)的存儲器中（指主存或內(nèi)存）；程序控制---從計(jì)算機(jī)主存中讀出指令并送到計(jì)算機(jī)的控制器，控制器根據(jù)當(dāng)前指令的功能，控制全機(jī)執(zhí)行指令規(guī)定的操作，完成指令的功能。重復(fù)這一操作，直到程序中指令執(zhí)行完畢。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是：1）使用單一的處理部件來完成計(jì)算、存儲以及通信的工作。2）存儲單元是定長的線性組織。指令指令計(jì)算機(jī)根據(jù)人們預(yù)定的安排，自動地進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速計(jì)算和加工處理。人們預(yù)定的安排是通過一連串指令（操作者的命令）來表達(dá)的，這個指令序列就稱為程序。一個指令規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個基本操作

。一個程序規(guī)定計(jì)算機(jī)完成一個完整的任務(wù)。一種計(jì)算機(jī)所能識別的一組不同指令的集合，稱為該種計(jì)算機(jī)的指令集合或指令系統(tǒng)。在微機(jī)的指令系統(tǒng)中，主要使用了單地址和二地址指令，其中，第1個字節(jié)是操作碼，規(guī)定計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的基本操作，第2個字節(jié)是操作數(shù)。計(jì)算機(jī)指令包括以下類型：數(shù)據(jù)處理指令（加、減、乘、除等）、數(shù)據(jù)傳送指令、程序控制指令、狀態(tài)管理指令，整個內(nèi)存被分成若干個存儲單元，每個存儲單元一般可存放8位二進(jìn)制數(shù)（字節(jié)編址）。每個在位單元可以存放數(shù)據(jù)或程序代碼，為了能有效地存取該單元內(nèi)存儲的內(nèi)容，每個單元都給出了一個唯一的編號來標(biāo)識，即地址。按照馮·諾依曼存儲程序的原理，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時須先將要執(zhí)行的相關(guān)程序和數(shù)據(jù)放入內(nèi)存儲器中，在執(zhí)行程序時CPU根據(jù)當(dāng)前程序指針寄存器的內(nèi)容取出指令并執(zhí)行指令，然后再取出下一條指令并執(zhí)行，如此循環(huán)下去直到程序結(jié)束指令時才停止執(zhí)行。其工作過程就是不斷地取指令和執(zhí)行指令的過程，最后將計(jì)算的結(jié)果放入指令指定的存儲器地址中。硬件中央處理器控制器運(yùn)算器存儲器輸入輸出設(shè)備總線010302040506硬件中央處理器CPU（centralprocessingunit）意為中央處理單元，又稱中央處理器。CPU由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，通常集中在一塊芯片上，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心設(shè)備。計(jì)算機(jī)以CPU為中心，輸入和輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸和處理都通過CPU來控制執(zhí)行。微型計(jì)算機(jī)的中央處理器又稱為微處理器?？刂破骺刂破魇菍斎氲闹噶钸M(jìn)行分析，并統(tǒng)一控制計(jì)算機(jī)的各個部件完成一定任務(wù)的部件。它一般由指令寄存器、狀態(tài)寄存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。計(jì)算機(jī)的工作方式是執(zhí)行程序，程序就是為完成某一任務(wù)所編制的特定指令序列，各種指令操作按一定的時間關(guān)系有序安排，控制器產(chǎn)生各種最基本的不可再分的微操作的命令信號，即微命令，以指揮整個計(jì)算機(jī)有條不紊地工作。當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時，控制器首先從指令寄存器中取得指令的地址，并將下一條指令的地址存入指令寄存器中，然后從存儲器中取出指令，由指令譯碼器對指令進(jìn)行譯碼后產(chǎn)生控制信號，用以驅(qū)動相應(yīng)的硬件完成指令操作。簡言之，控制器就是協(xié)調(diào)指揮計(jì)算機(jī)各部件工作的元件，它的基本任務(wù)就是根據(jù)種類指紋的需要綜合有關(guān)的邏輯條件與時間條件產(chǎn)生相應(yīng)的微命令。運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）。運(yùn)算器的主要任務(wù)是執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算是指各種數(shù)值運(yùn)算，比如：加、減、乘、除等。邏輯運(yùn)算是進(jìn)行邏輯判斷的非數(shù)值運(yùn)算，比如：與、或、非、比較、移位等。計(jì)算機(jī)所完成的全部運(yùn)算都是在運(yùn)算器中進(jìn)行的，根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式，運(yùn)算器從存儲或寄存器中取得操作數(shù)，進(jìn)行計(jì)算后，送回到指令所指定的寄存器中。運(yùn)算器的核心部件是加法器和若干個寄存器，加法器用于運(yùn)算，寄存器用于存儲參加運(yùn)算的各種數(shù)據(jù)以及運(yùn)算后的結(jié)果。存儲器存儲器分為內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）、外存儲器（簡稱外存或輔存）。外存儲器一般也可作為輸入/輸出設(shè)備。計(jì)算機(jī)把要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，內(nèi)存一般由半導(dǎo)體器構(gòu)成。半導(dǎo)體存儲器可分為三大類：隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、特殊存儲器。RAMRAM是隨機(jī)存取存儲器（RandomAccessMemory），其特點(diǎn)是可以讀寫，存取任一單元所需的時間相同，通電時存儲器內(nèi)的內(nèi)容可以保持，斷電后，存儲的內(nèi)容立即消失。RAM可分為動態(tài)（DynamicRAM）和靜態(tài)（StaticRAM）兩大類。所謂動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM是用MOS電路和電容來作存儲元件的。由于電容會放電，所以需要定時充電以維持存儲內(nèi)容的正確，例如互隔2ms刷新一次，因此稱這為動態(tài)存儲器。所謂靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM是用雙極型電路或MOS電路的觸發(fā)器來作存儲元件的，它沒有電容放電造成的刷新問題。只要有電源正常供電，觸發(fā)器就能穩(wěn)定地存儲數(shù)據(jù)。DRAM的特點(diǎn)是集成密度高，主要用于大容量存儲器。SRAM的特點(diǎn)是存取速度快，主要用于調(diào)整緩沖存儲器。ROMROM是只讀存儲器（ReadOnlyMemory），它只能讀出原有的內(nèi)容，不能由用戶再寫入新內(nèi)容。原來存儲的內(nèi)容是由廠家一次性寫放的，并永久保存下來。ROM可分為可編程（Programmable）ROM、可擦除可編程（ErasableProgrammable）ROM、電擦除可編程（ElectricallyErasableProgrammable）ROM。如，EPROM存儲的內(nèi)容可以通過紫外光照射來擦除，這使它的內(nèi)容可以反復(fù)更改。特殊固態(tài)存儲器包括電荷耦合存儲器、磁泡存儲器、電子束存儲器等，它們多用于特殊領(lǐng)域內(nèi)的信息存儲。此外，描述內(nèi)、外存儲容量的常用單位有：①位/比特（bit）：這是內(nèi)存中最小的單位，二進(jìn)制數(shù)序列中的一個0或一個1就是一比比特，在電腦中，一個比特對應(yīng)著一個晶體管。②字節(jié)（B、Byte）：是計(jì)算機(jī)中最常用、最基本的存在單位。一個字節(jié)等于8個比特，即1Byte=8bit。輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備是用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識別的二進(jìn)制存入到內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆等。輸出設(shè)備用于將存入在內(nèi)存中的由計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兡芙邮艿男问捷敵?。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。總線總線是一組為系統(tǒng)部件之間數(shù)據(jù)傳送的公用信號線。具有匯集與分配數(shù)據(jù)信號、選擇發(fā)送信號的部件與接收信號的部件、總線控制權(quán)的建立與轉(zhuǎn)移等功能。典型的微機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常多采用單總線結(jié)構(gòu)，一般按信號類型將總線分為三組，其中AB（AddressBus）為地址總線；DB(DataBus)為數(shù)據(jù)總線；CB（ControlBus）控制總線。技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)CPU類型CPU類型是指微機(jī)系統(tǒng)所采用的CPU芯片型號，它決定了微機(jī)系統(tǒng)的檔次。字長字長是指CPU一次最多可同時傳送和處理的二進(jìn)制位數(shù)，字長直接影響到計(jì)算機(jī)的功能、用途和應(yīng)用范圍。如Pentium是64位字長的微處理器，即數(shù)據(jù)位數(shù)是64位，而它的尋址位數(shù)是32位。時鐘頻率和機(jī)器周期時鐘頻率又稱主頻，它是指CPU內(nèi)部晶振的頻率，常用單位為兆（MHz），它反映了CPU的基本工作節(jié)拍。一個機(jī)器周期由若干個時鐘周期組成，在機(jī)器語言中，使用執(zhí)行一條指令所需要的機(jī)器周期數(shù)來說明指令執(zhí)行的速度。一般使用CPU類型和時鐘頻率來說明計(jì)算機(jī)的檔次。如PentiumIII500等。運(yùn)算速度是指計(jì)算機(jī)每秒能執(zhí)行的指令數(shù)。單位有MIPS（每秒百萬條指令）、MFLOPS（秒百萬條浮點(diǎn)指令）。演變早期的計(jì)算機(jī)有內(nèi)部存儲器紙帶機(jī)鍵盤和顯示器演變有外部存儲器有操作系統(tǒng)有文件系統(tǒng)演變早期的計(jì)算機(jī)我們先從最早的計(jì)算機(jī)講起，人們在最初設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時采用這樣一個模型：人們通過輸入設(shè)備把需要處理的信息輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過中央處理器把信息加工后，再通過輸出設(shè)備把處理后的結(jié)果告訴人們。其實(shí)這個模型很簡單，舉個簡單的例子，你要處理的信息是1+1，你把這個信息輸入到計(jì)算機(jī)中后，計(jì)算機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行處理，再把處理后的結(jié)果告訴你。早期計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備十分落后，根本沒有鍵盤和鼠標(biāo)，那時候計(jì)算機(jī)還是一個大家伙，最早的計(jì)算機(jī)有兩層樓那么高。人們只能通過扳動計(jì)算機(jī)龐大的面板上無數(shù)的開關(guān)來向計(jì)算機(jī)輸入信息，而計(jì)算機(jī)把這些信息處理之后，輸出設(shè)備也相當(dāng)簡陋，就是計(jì)算機(jī)面板上無數(shù)的信號燈。所以那時的計(jì)算機(jī)根本無法處理像這樣各種各樣的信息，它實(shí)際上只能進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算。當(dāng)時人們使用計(jì)算機(jī)也真是夠累的。但在當(dāng)時，就算是這種計(jì)算機(jī)也是極為先進(jìn)的了，因?yàn)樗讶藗儚姆敝氐氖止び?jì)算中解脫出來，而且極大地提高了計(jì)算速度。有內(nèi)部存儲器隨著人們對計(jì)算機(jī)的使用，人們發(fā)現(xiàn)上述模型的計(jì)算機(jī)能力有限，在處理大量數(shù)據(jù)時就越發(fā)顯得力不從心。為此人們對計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了這種模型：就是在中央處理器旁邊加了一個內(nèi)部存儲器。這個模型的好處在于。先打個比方說，如果老師讓你心算一道簡單題，你肯定毫不費(fèi)勁就算出來了，可是如果老師讓你算20個三位數(shù)相乘，你心算起來肯定很費(fèi)力，但如果給你一張草稿紙的話，你也能很快算出來。可能你會問這和計(jì)算機(jī)有什么關(guān)系？其實(shí)計(jì)算機(jī)也是一樣，一個沒有內(nèi)部存儲器的計(jì)算機(jī)如果讓它進(jìn)行一個很復(fù)雜的計(jì)算，它可能根本就沒有辦法算出來，因?yàn)樗拇鎯δ芰τ邢?，無法記住很多的中間的結(jié)果，但如果給它一些內(nèi)部存儲器當(dāng)“草稿紙”的話，計(jì)算機(jī)就可以把一些中間結(jié)果臨時存儲到內(nèi)部存儲器上，然后在需要的時候再把它取出來，進(jìn)行下一步的運(yùn)算，如此往復(fù)，計(jì)算機(jī)就可以完成很多很復(fù)雜的計(jì)算。紙帶機(jī)隨著時代的發(fā)展，人們越來越感到計(jì)算機(jī)輸入和輸出方式的落后，改進(jìn)這兩方面勢在必行。在輸入方面，為了不再每次扳動成百上千的開頭，人們發(fā)明了紙帶機(jī)。紙帶機(jī)的工作原理是這樣的，紙帶的每一行都標(biāo)明了26個字母、10個數(shù)字和一些運(yùn)算符號，如果這行的字母A上面打了一個孔，說明這里要輸入的是字母A，同理，下面的行由此類推。這樣一個長長的紙帶就可以代表很多的信息，人們把這個紙帶放入紙帶機(jī)，紙帶機(jī)還要把紙帶上的信息翻譯給計(jì)算機(jī)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)是看不懂這個紙帶的。這樣雖然比較麻煩，但這個進(jìn)步確實(shí)在很大程度上促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。在發(fā)明紙帶的同時，人們也對輸出系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，用打印機(jī)代替了計(jì)算機(jī)面板上無數(shù)的信號燈。打印機(jī)的作用正好和紙帶機(jī)相反，它負(fù)責(zé)把計(jì)算機(jī)輸出的信息翻譯成人能看懂的語言，打印在紙上，這樣人們就能很方便地看到輸出的信息，再也不用看那成百上千的信號燈了。鍵盤和顯示器不過人們沒有滿足，他們繼續(xù)對輸入和輸出系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。后來人們發(fā)明了鍵盤和顯示器。這兩項(xiàng)發(fā)明使得當(dāng)時的計(jì)算機(jī)和我們使用的計(jì)算機(jī)有些類似了，而且在此之前經(jīng)過長時間的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)的體積也大大地縮小了。鍵盤和顯示器的好處在于人們可以直接向計(jì)算機(jī)輸入信息，而計(jì)算機(jī)也可以及時把處理結(jié)果顯示在屏幕上。有外部存儲器可是隨著人們的使用，逐漸又發(fā)現(xiàn)了不如意之處。因?yàn)槿藗円蛴?jì)算機(jī)輸入的信息越來越多，往往要輸入很長時間后，才讓計(jì)算機(jī)開始處理，而在輸入過程中，如果停電，那前面輸入的內(nèi)容就白費(fèi)了，等來電后，還要全部重新輸入。就算不停電，如果人們上次輸入了一部分信息，計(jì)算機(jī)處理完了，也輸出了結(jié)果；人們下一次再需要計(jì)算機(jī)處理這部分信息的時候，還要重新輸入。對這種重復(fù)勞動的厭倦導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)新的模型的產(chǎn)生。這回的模型是這樣的：這回增加了一個外部存儲器。外部存儲器的“外部”是相對于內(nèi)部存儲器來說的，在中央處理器處理信息時，它并不直接和外部存儲器打交道，處理過程中的信息都臨時存放在內(nèi)部存儲器中，在信息處理結(jié)束后，處理的結(jié)果也存放在內(nèi)部存儲器中?？墒侨绻@時突然停電，那些結(jié)果還會丟失的。內(nèi)部存儲器（或簡稱內(nèi)存）中的信息是靠電力來維持的，一旦電力消失，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就會全部消失。也正因?yàn)槿绱?，人們才在?jì)算機(jī)模型中加入了外部存儲器，把內(nèi)存中的處理結(jié)果再存儲到外部存儲器中，這樣停電后數(shù)據(jù)也不會丟失了。外部存儲器與內(nèi)存的區(qū)別在于：它們的存儲機(jī)制是不一樣的，外部存儲器是把數(shù)據(jù)存儲到磁性介質(zhì)上，所以不依賴于是否有電。這個磁性介質(zhì)就好比家里的歌曲磁帶，磁帶上的歌曲不管有沒有電都是存在的。當(dāng)時人們也是考慮到了磁帶這種好處，所以在計(jì)算機(jī)的外部存儲器中也采用了類似磁帶的裝置，比較常用的一種叫磁盤。磁盤本來是圓的，不過裝在一個方的盒子里，這樣做的目的是為了防止磁盤表面劃傷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。有文件系統(tǒng)可是不久之后，人們又發(fā)現(xiàn)了另一個問題，人們要存儲到磁盤上的內(nèi)容越來越多，眾多的信息存儲在一起，很不方便。這樣就導(dǎo)致了文件的產(chǎn)生。這和我們?nèi)粘Ｉ钪械奈募?/p>