1.2.1 硬件系统的组成及部件功能

硬件系统的组成及各个部件的主要功能

    1946年美籍匈牙利人冯·诺依曼提出了存储程序原理，奠定了计算机的基本结构和工作原理的技术基础。存储程序原理的主要思想是：将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步进行处理，直到得出结果。按此原理设计的计算机称为存储程序计算机，或称为冯·诺依曼结构计算机。今天我们所使用的计算机，不管机型大小，都属于冯·诺依曼结构计算机。

    冯·诺依曼结构计算机由五大部分构成，如图1-2-2所示。

图1-2-2 冯·诺依曼结构计算机

    ①运算器。计算机中进行算术运算和逻辑运算的主要部件，是计算机的主体。在控制器的控制下，运算器接收待运算的数据，完成程序指令指定的基于二进制数的算术运算或逻辑运算。
    ②控制器。计算机的指挥控制中心。控制器从存储器中逐条取出指令、分析指令，然后根据指令要求完成相应操作，产生一系列控制命令，使计算机各部分自动、连续并协调动作，成为一个有机的整体，实现程序的输入、数据的输入以及运算并输出结果。
    ③存储器。存储器是用来保存程序和数据，以及运算的中间结果和最后结果的记忆装置。计算机的存储系统分为内部存储器(简称内存或主存储器)和外部存储器(简称外存或辅助存储器)。主存储器中存放将要执行的指令和运算数据，容量较小，但存取速度快。外存容量大、成本低、存取速度慢，用于存放需要长期保存的程序和数据。当存放在外存中的程序和数据需要处理时，必须先将它们读到内存中，才能进行处理。
    ④输入设备。输入设备是用来完成输入功能的部件，即向计算机送入程序、数据以及各种信息的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、磁盘驱动器和触摸屏等。
    ⑤输出设备。输出设备是用来将计算机工作的中间结果及处理后的结果进行表现的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和磁盘驱动器等。

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      冯·诺依曼结构的主要特点是：

    · 存储程序控制：要求计算机完成的功能，必须事先编制好相应的程序，并输入到存储器中，计算机的工作过程是运行程序的过程；

    · 程序由指令构成，程序和数据都用二进制数表示；

    · 指令由操作码和地址码构成；

    · 机器以CPU为中心。

　

    冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：

    ①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。

    ②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。 每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。

    ③将编好的程序送人内存储器中，然后启动计算机工作， 计算机勿需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。

　　从以上三条可以看出， 以前所有的讨论都是针对冯·诺依曼设计思想论述的，不过没 有明确指出其人罢了。 冯·诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对对程序存储”概念的具体化。

计算机的工作过程

　　了解了“程序存储”， 再去理解计算机工作过程变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输人设备送到存储器中保存起杂， 即程序存储。接来就是执行程序的问题了。 根据冯．诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序文归结为逐条执行指令。

    ①取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存；

    ②分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，译出该指令对应的微操作；

    ③执行指令：根据招令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；

    ④为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。