計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理(已修改)
2024-12-07 23:35 本頁面
【正文】 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 第一講 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的邏輯（功能）結(jié)構(gòu) 一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的，人類通過計(jì)算機(jī)軟件使用計(jì)算機(jī)。通過軟件的包裝，人們可以不必太多地了解機(jī)器本身的結(jié)構(gòu)與原理，就可以方便靈活地使用計(jì)算機(jī)。 認(rèn)識和理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，有利于在此基礎(chǔ)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(rèn)識計(jì)算機(jī)及其操作使用。 硬件（ Hardware） 系統(tǒng)是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實(shí)實(shí)在在的有形實(shí)體。硬件是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的物理平臺，計(jì)算機(jī)的性能，如運(yùn)算速度、存儲容量、計(jì)算精度、可靠性等，很大程度上取決于硬件的配置。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主機(jī)外部設(shè)備中央處理器內(nèi)存儲器運(yùn)算器控制器外存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件圖 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的奠基人： 英國科學(xué)家 艾蘭 圖靈（ Alan Mathison Turing） 圖靈機(jī)（ Turing Machine ， TM）： 1936年提出了現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型。這是一個(gè)描述計(jì)算步驟的數(shù)學(xué)模型，使用這種抽象計(jì)算機(jī)可以把復(fù)雜的計(jì)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(jī)器對于質(zhì)問的響應(yīng)與人類做出的響應(yīng)完全無法區(qū)別，則該機(jī)器就具有智能。它奠定了人工智能的理論基礎(chǔ)。 美籍匈牙利科學(xué)家 馮 諾依曼（ Von Neumann） 在 1946年提出了關(guān)于計(jì)算機(jī)組成和工作方式的基本設(shè)想 ，可以歸納為如下幾點(diǎn)： （ 1） 計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備由存儲器 、 運(yùn)算器 、 控制器 、 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成 ， 并對其基本功能做了規(guī)定 。 （ 2） 計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)碼來表示指令和數(shù)據(jù) ， 每條指令由一個(gè)操作碼和一個(gè)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(jì)算機(jī)指令組成的序列）和原始數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)的主存儲器中，使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠連續(xù)、自動(dòng)、高速地從存儲器中取出一條條指令執(zhí)行。 CPU 馮 諾依曼設(shè)計(jì)思想確立了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，并第一次提出了 “ 存儲程序 ” 的概念。 外 存 儲 器內(nèi) 存 儲 器運(yùn) 算 器控 制 器輸 入 設(shè) 備 輸 出 設(shè) 備圖 馮 諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯部件（ ALU——Arithmetical Logic Unit），是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。 算術(shù)運(yùn)算： 指按照算術(shù)規(guī)則進(jìn)行的運(yùn)算，如加、減、乘、除、求絕對值等； 邏輯運(yùn)算： 泛指非算術(shù)性質(zhì)的運(yùn)算，如比較大小、移位、邏輯加等。 運(yùn)算器在控制器的控制下，對取自內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。在計(jì)算機(jī)中，各種復(fù)雜的運(yùn)算被分解為一系列算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，由 ALU執(zhí)行。運(yùn)算器每次執(zhí)行什么操作是由當(dāng)前指令的操作碼來確定的。 1）運(yùn)算器 2）控制器 控制器（ Controller） 是計(jì)算機(jī)的控制指揮中心，計(jì)算機(jī)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(jìn)行分析、判斷，并根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)的各種控制信號，使計(jì)算機(jī)的有關(guān)設(shè)備或電子器件有條不紊地協(xié)調(diào)工作 ，保證計(jì)算機(jī)能自動(dòng)、連續(xù)地工作。 中央處理器即 CPU（ Control Processing Unit ）： 控制器和運(yùn)算器合稱為 CPU，是計(jì)算機(jī)的核心部件。 CPU中還包括若干寄存器，用來存放運(yùn)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(yùn)算數(shù)據(jù)，或保留運(yùn)算結(jié)果。一般 CPU有多個(gè)通用寄存器。 （ 2） 累加器 A 這是一個(gè)使用相對頻繁的特殊的通用寄存器，有重復(fù)累加數(shù)據(jù)的功能。 （ 3） 程序計(jì)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(dāng)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(dǎo)體材料
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