計算機的基本結構和工作原理

1、計算機的基本結計算機的基本結構和工作原理構和工作原理4.1.1 計算機的邏輯（功能）結構 一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的，人類通過計算機軟件使用計算機。通過軟件的包裝，人們可以不必太多地了解機器本身的結構與原理，就可以方便靈活地使用計算機。 認識和理解計算機硬件系統(tǒng)的基本構成和工作原理，有利于在此基礎上更好地理解軟件系統(tǒng)中的各種概念，以及各種操作要求的必然性。從而，深刻認識計算機及其操作使用。 硬件（硬件（HardwareHardware）系統(tǒng)是構成計算機的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實實在在的有形實體。硬件是整個系統(tǒng)運行的物理平臺，計算機的性能，如運算速度、存儲容量、計

2、算精度、可靠性等，很大程度上取決于硬件的配置。計算機系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)主機外部設備中央處理器內存儲器運算器控制器外存儲器輸入設備輸出設備系統(tǒng)軟件應用軟件圖4.1 計算機硬件系統(tǒng)的基本結構。 現(xiàn)代電子計算機的奠基人：英國科學家艾蘭艾蘭圖靈（圖靈（Alan Mathison Turing）圖靈機（圖靈機（Turing Machine Turing Machine ，TMTM）：）：1936年提出了現(xiàn)代通用數字計算機的數學模型。這是一個描述計算步驟的數學模型，使用這種抽象計算機可以把復雜的計算過程還原為十分簡單的操作 圖靈測試（圖靈測試（Turing TestTuring Test）：

3、）：1950年，如果一臺機器對于質問的響應與人類做出的響應完全無法區(qū)別，則該機器就具有智能。它奠定了人工智能的理論基礎。 美籍匈牙利科學家馮馮諾依曼（諾依曼（Von Neumann） 在1946年提出了關于計算機組成和工作方式的基本設想，可以歸納為如下幾點：（1）計算機硬件設備由存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成，并對其基本功能做了規(guī)定。（2）計算機內部采用二進制數碼來表示指令和數據，每條指令由一個操作碼和一個地址碼組成，其中操作碼表示所做的操作性質，地址碼則指出被操作數在存儲器中的存放地址。（3）采用存儲程序的概念，即將編制好的程序（由計算機指令組成的序列）和原始數據

4、存入計算機的主存儲器中，使計算機在工作時能夠連續(xù)、自動、高速地從存儲器中取出一條條指令執(zhí)行。 CPU 馮諾依曼設計思想確立了現(xiàn)代計算機的基本結構，并第一次提出了“存儲程序”的概念。 圖4.2 馮諾依曼計算機結構示意圖 運算器又稱算術邏輯部件（ALUArithmetical Logic Unit），是進行算術運算和邏輯運算的部件。 算術運算：算術運算：指按照算術規(guī)則進行的運算，如加、減、乘、除、求絕對值等； 邏輯運算：邏輯運算：泛指非算術性質的運算，如比較大小、移位、邏輯加等。 運算器在控制器的控制下，對取自內存儲器的數據進行算術和邏輯運算。在計算機中，各種復雜的運算被分解為一系列算術運算和邏輯

5、運算，由ALU執(zhí)行。運算器每次執(zhí)行什么操作是由當前指令的操作碼來確定的。 1 1）運算器）運算器2 2）控制器）控制器控制器（控制器（ControllerController）是計算機的控制指揮中心，計算機的神經中樞。它的基本功能是從內存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷，并根據指令發(fā)出相應的各種控制信號，使計算機的有關設備或電子器件有條不紊地協(xié)調工作 ，保證計算機能自動、連續(xù)地工作。中央處理器即中央處理器即CPUCPU（Control Processing Unit Control Processing Unit ）：）：控制器和運算器合稱為CPU，是計算機的核心部件。CPU中還包括若干寄

6、存器，用來存放運算過程中的各種數據、地址或其他信息。寄存器的種類很多，主要的有：（1）通用寄存器 向ALU提供運算數據，或保留運算結果。一般CPU有多個通用寄存器。（2）累加器A 這是一個使用相對頻繁的特殊的通用寄存器，有重復累加數據的功能。（3）程序計數器PC 存放將要執(zhí)行的指令的地址。（4）指令寄存器IR 存放根據PC的內容從內存儲器中取出的指令。存儲器（Memory）是有記憶能力的部件，用來保存程序和數據。 3 3）存儲器）存儲器內存儲器內存儲器（也稱主存儲器，簡稱內存或主存）可以和CPU直接相連，用來存放當前要執(zhí)行的程序和數據，以便快速向CPU提供信息。內存儲器一般采用半導體材料制造。

7、 外存儲器外存儲器（也稱輔助存儲器，簡稱外存），一般需要通過特殊接口與CPU連接。外存儲器用來存放當前暫不參加運行而又需要長期保留的程序和數據。存放在外存的程序必須調入內存才能運行。軟盤、硬盤和光盤都屬于外存儲器。 將信息存入存儲器謂之“寫入寫入”（WriteWrite）；從存儲器取出信息稱為“讀出讀出”（ReadRead）。 存儲器的操作有寫入操作和讀出操作兩種：為了便于對存儲器中存放的信息進行管理，整個內存被劃分成許多存儲單元，每個存儲單元都有一個編號，此編號稱為地址（地址（AddressAddress）。 位、字節(jié) 、字等 （1） 位位(bitbit，縮寫為b)：二進制的每一位(“0”或

8、“1”)是二進制信息的最小單位。 （2） 字節(jié)字節(jié)(ByteByte,縮寫為B)：一個字節(jié)由8位二進制代碼組成，它們從左到右排列為：b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0其中b7 是最高位，b0是最低位。字節(jié)是信息存儲的基本單位，存儲單元的地址也通常按字節(jié)編排。 （3) 字字(WordWord)：又稱計算機字，是可作為獨立的信息單位進行處理的若干位的組合，其包含的二進位個數稱為字長。字長一般是字節(jié)的整數倍。 存儲器的容量容量指它能存放的二進制位或字節(jié)數，常用的計量單位有KB（千字節(jié)，K為210），MB（兆字節(jié)，B為220），GB（千兆字節(jié)，G為230）等。 4 4）輸入設備）輸入設備

9、輸入設備就是將程序、命令或數據等信息輸入到計算機的裝置。輸入設備把它們轉換成計算機能夠識別的形式，存放在內存中。常用的輸入設備有鼠標、鍵盤、掃描儀、數字化儀等。5 5）輸出設備）輸出設備 輸出設備是將計算機處理后的結果（通常在內存）進行輸出的設備。輸出結果要轉換成人們能夠接受的形式，例如數據、文字、圖形、表格等。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。就是計算機各部件之間傳送信息的公共通道，使構成計算機的各功能部件成為一個可工作的系統(tǒng)，圖4.3總線與各功能部件的連接示意圖。 6）總線）總線（BUS）412 微型計算機的組成 1）CPU 1971年，Intel 公司把運算器和邏輯控制功能集成在

10、一起，用一片芯片實現(xiàn)了中央處理器的功能，制成了世界上第一片微處理器（MPU Micro Processing Unit）Intel 4004。它再加上存儲器組成了4位微型電子計算機MCS-4，隨后，許多公司競相研制微處理器，相繼推出了8位、16位、32位微處理器。 1981年美國IBM公司推出采用Intel微處理器芯片的IBM PC（personal computer）個人計算機，隨后又相繼推出IBM PC XT、PC 286、386、486、Pentium和Pentium Pro等一系列微型計算機。 Apple公司一直堅持開發(fā)自己的PC機系列，如Apple和Apple等8位PC機以及包括多種

11、機型的Macintosh（簡稱Mac）系列，以其獨特的界面風格，在16位和32位PC機市場上也占有一席之地。 DEC公司推出的Alpha 211，IBM、Motorola、Apple三家公司聯(lián)合推出的Power-PC體系結構均為64為微處理器芯片 衡量CPU性能的主要技術指標有： （1）CPU字長字長 指CPU內部各寄存器之間一次能夠傳送的數據位，即在單位時間內能一次處理的二進制數的位數。該指標反映CPU內部運算處理的速度和效率。（2）運算速度）運算速度 用每秒鐘能夠執(zhí)行多少條指令來表示。通常用單位時間內執(zhí)行指令的平均條數來衡量，并以MIPS（Million Instructions Per

12、Second）作為計量單位；或用每秒浮點運算次數FLOPS（ Floating Point Operation Per Second）來表示。（3）工作頻率）工作頻率 CPU的工作頻率也稱為CPU的主頻，指CPU內核電路的實際運行頻率，主頻越高，其處理速度也越快。（4）CPU的生產工藝技術的生產工藝技術 通常用m來描述，精度越高表示其生產工藝越先進，在同樣體積的硅材料上可以集成的元件也越多，主頻也越高。 2）內存儲器）內存儲器 內存一般使用半導體材料制造，存取速度較快，容量較小，成本較高；而外存通常以磁性材料和其他材料制造，容量較大，速度較慢，成本較低。 暫存中間結果 Cache 通常指內存

13、與CPU的通信需要經過專門的接口 內存按其功能特征可以分為：1. 隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM） 可以被隨機訪問，大多采用MOS型半導體集成電路芯片制成。當關機或斷電時，保存在存儲器中的信息將隨之丟失。又分為：（1）靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）：它的體積較大，功耗大，制造成本較高，價格較貴；但是存取速度快，能與CPU芯片的工作保持同步，適合用作高速緩沖存儲器。 （2）動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）：集成度高，功耗低，作成本較低，被廣泛采用作為主存。 2. 只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）兩類。只讀存儲器是一種只取不存的存儲器。一般由計

14、算機制造廠家將信息寫入ROM中，用戶是無法修改的。即使停電，ROM中的信息也不會丟失，是非易失性存儲器。 （2）高速緩沖存儲器（Cache） Cache設立的依據是程序訪問的局部性原理，即在一個較短時間間隔內，CPU執(zhí)行的指令和處理的數據往往集中存放在存儲器的局部范圍內，對該局部范圍的存儲器地址訪問頻繁，而此范圍外的地址訪問較少。如果把在一定地址范圍內被頻繁訪問的指令和數據從內存復制到Cache中，當CPU要訪問內存中的數據時，先在Cache中進行查找，若Cache中有CPU所需的數據（稱為“命中”），CPU就直接從Cache中讀取；否則再從內存中讀取，并將與該數據相關的一部分內容復制到Cac

15、he中。這樣在一個時間間隔內，CPU將不會或很少去訪問速度較慢的內存，可以加快程序的運行。 3）系統(tǒng)主板）系統(tǒng)主板 主板上的部件包括控制芯片組、CPU、Cache、BIOS芯片、I/O接口、內存儲器插槽、總線擴展槽、鍵盤和鼠標接口、軟盤接口、IDE（ATA）接口（用于連接硬盤和光驅）、可充電電池以及各種開關和跳線等。一體化主板上還有多媒體和通信設備接口。圖4.8是系統(tǒng)主板的布局結構。4 4）總線與接口）總線與接口 計算機的各個功能部件是通過總線實現(xiàn)相互通信的，總總線線的主要特征是共享傳輸介質。 接口接口是外部設備與計算機連接的端口。 1. 總線分為三種：（1）數據總線DB（Data Bus）

16、用來傳送數據，其位數一般與微處理器字長相同。數據總線具有雙向功能。通過它可以實現(xiàn)CPU、存儲器和輸入輸出接口之間的數據交換。 （2）地址總線AB（Address Bus）用來傳送地址信息。它是單向傳送的，用來把地址信息從CPU單向地傳送到存儲器或IO接口，指出相應的存儲單元或IO設備。16位AB能直接尋址的存儲空間為216，存儲地址編址范圍為0000HFFFFH。 （3）控制總線CB（Control Bus）用來傳輸控制信號。這些控制信號控制著計算機按一定的節(jié)拍，有規(guī)律地自動工作?？刂瓶偩€的多少因不同性能的CPU而異。 目前微型計算機上常見的總線結構有： ISA（Industry Standa

17、ra Architecture）總線ISA是工業(yè)標準結構總線，數據傳送寬度是16位，工作頻率為8MHz，數據傳輸速率最高為8MB/s，尋址空間為1MB。它在80286至80486時代廣泛應用，現(xiàn)在的機器中也還保留有ISA總線插槽。 PCI（Peripheral Component Interconnect）總線外部設備互聯(lián)總線PCI，也稱局部總線，它在CPU與外部設備之間提供了一條獨立的數據通道，使每種設備都能直接與CPU聯(lián)系，各種設備都能同時工作。數據傳送寬度是32/64位， AGP（Accelerated Graphics Port）總線AGP總線是為了適應圖象和視頻傳輸的需要而推出的總線

18、，又稱加速圖形端口總線?？偩€寬度為32位。 2 計算機與外部設備接口 必須使用外部接口的原因：CPU和I/O設備兩者的信息類型和格式不一樣,必須通過I/O接口來進行緩沖和協(xié)調。 CPU與I/O設備信號傳輸處理信號的速度往往不匹配，信號時序有很大差別，必須通過I/O接口來進行緩沖和協(xié)調。 圖4.12 微處理器、總線、存儲器、接口電路和外部設備的邏輯關系 I/O接口除了完成主機與外設之間的通信之外，還應具有以下功能： 作為主機與I/O設備傳遞數據的緩沖。 信號轉換功能。 控制和定時功能 錯誤或狀態(tài)檢測 常見的接口有 串行與并行接口:串行接口在一個方向一次只能傳輸一位數據，傳送一個字節(jié)的數據必須一位

19、一位地依次傳送。 磁盤接口:在微型計算機中使用最廣泛的硬盤接口標準是IDE和SCSI USB接口 IEEE 1394接口：按串行方式通信，數據傳輸速度極高，適用于各種高速設備。 5）常用輸入與輸出設備滾輪按鍵傳動球磁道柱面磁盤盤片控制電路主軸移動臂文件定位表磁頭硬盤的主要性能指標如下： 容量容量 以千兆字節(jié)為單位，計算公式為：硬盤容量=磁頭數柱面數扇區(qū)數扇區(qū)容量 存儲密度存儲密度 是指單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量，可用道密度和位密度來表示。 數據傳輸率數據傳輸率 是指單位時間內磁盤與主機之間傳送數據的二進制位數或字節(jié)數。 平均存取時間平均存取時間 指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從原

20、始位置移動到磁盤上所要求讀寫的記錄位置，并準備寫入或讀出數據所需要的時間。 cache容量容量 高速緩沖存儲器能有效地提高硬盤的數據傳輸性能，理論上cache的速度越快越好，容量越大越好。目前多為1MB或2MB的。42 計算機的工作原理 馮諾依曼機工作原理：存儲程序和程序控制 存儲程序存儲程序 指人們必須事先把計算機的執(zhí)行步驟序列（即程序）及運行中所需的數據，通過一定方式輸入并存儲在計算機的存儲器中。程序控制程序控制 指計算機運行時能自動地逐一取出程序中一條條指令，加以分析并執(zhí)行規(guī)定的操作。 計算機是依靠硬件和軟件的配合進行工作的，計算機工作過程就是指令、程序的執(zhí)行過程。 421指令和指令系統(tǒng)

21、 1）指令）指令 能夠被計算機識別并執(zhí)行的命令稱為指令，指令規(guī)定了計算機能完成的某一種操作。 指令由二進制代碼組成，可像數據一樣存放在計算機的存儲器中。一條指令一般包含操作碼和操作數兩部分。 操作碼操作碼指明該指令要完成的操作，例如，加法、減法、乘法、除法、取數、存數等。操作數操作數表示操作對象的內容或所在的存儲單元地址。操作數的個數可以是1個、多個或0個（例如停機指令不需要操作數的信息）。2）指令系統(tǒng)）指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：指一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合，或稱該計算機的機器語言指令系統(tǒng)。按其功能都可將指令系統(tǒng)分為以下幾種類型：（1）數據傳送指令 實現(xiàn)數據在內存與CPU之間的傳送

22、。（2）數據處理指令 實現(xiàn)對數據進行算術運算和邏輯運算。（3）程序控制指令 實現(xiàn)改變程序執(zhí)行順序的功能。（4）輸入輸出指令 實現(xiàn)CPU與外部設備之間的數據交換。（5）其他指令 實現(xiàn)對計算機硬件的管理。3）（匯編語言）程序）（匯編語言）程序 為解決某一個問題而設計的指令序列稱為程序程序。 當人們需要用計算機來解決某個問題時，首先要將問題分解為若干個基本操作，并把每一種基本操作轉換成相應的指令，按一定的順序進行編排。當計算機執(zhí)行這一指令序列時，就完成了預定的任務。 一臺計算機的指令種類是有限的，但是通過人們的精心設計，可以編寫出完成各種不同類型問題的程序。422 指令的執(zhí)行過程 計算機執(zhí)行一條指令的過程可以分為幾個基本的步驟：（1）取指令取指令 根據程序計數器中的地址，從內存儲器中取出指令，并送到指令寄存器中。（2）分析指令分析指令 對指令寄存器中的指令進行分析，由譯碼器對指令中的操作碼部分進行譯碼，得知該條指令要完成什么樣的操作，并轉換