計算機的基本結構和工作原理(已修改)
2024-12-07 23:35 本頁面
【正文】 大學計算機基礎 第一講 計算機的基本結構 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（ Hardware） 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(nèi)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 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 圖靈（ Alan Mathison Turing） 圖靈機（ Turing Machine ， TM）： 1936年提出了現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學模型。這是一個描述計算步驟的數(shù)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（ Turing Test）： 1950年，如果一臺機器對于質(zhì)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 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(nèi)部采用二進制數(shù)碼來表示指令和數(shù)據(jù) ， 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(zhì) ， 地址碼則指出被操作數(shù)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(shù)據(jù)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。 外 存 儲 器內(nèi) 存 儲 器運 算 器控 制 器輸 入 設 備 輸 出 設 備圖 馮 諾依曼計算機結構示意圖 運算器又稱算術邏輯部件（ ALU——Arithmetical Logic Unit），是進行算術運算和邏輯運算的部件。 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： 泛指非算術性質(zhì)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(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)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）運算器 2）控制器 控制器（ Controller） 是計算機的控制指揮中心，計算機的神經(jīng)中樞。它的基本功能是從內(nèi)存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷，并根據(jù)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(diào)工作 ，保證計算機能自動、連續(xù)地工作。 中央處理器即 CPU（ Control Processing Unit ）： 控制器和運算器合稱為 CPU，是計算機的核心部件。 CPU中還包括若干寄存器，用來存放運算過程中的各種數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的功能。 （ 3） 程序計數(shù)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(jù) PC的內(nèi)容從內(nèi)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(shù)據(jù)。 3）存儲器 內(nèi)存儲器 （也稱主存儲器，簡稱內(nèi)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(shù)據(jù)，以便快速向 CPU提供信息。內(nèi)存儲器一般采用半導體材料
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