计算机系统简介

计算机系统简介

一、计算机系统的组成

       一个完整的计算机系统包括计算机硬件和计算机软件两大部分。所谓硬件，是指用电子器件和机电装置组成的计算机实体，是看得见摸得着的物理器件。计算机硬件系统由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。所谓软件，是指计算机系统中的程序、数据及开发、使用、维护程序所需文档的集合。硬件是计算机系统的基础，软件是计算机系统的灵魂。如果没有软件，计算机就不能工作。人们把不配备任何软件的计算机称为裸机。在计算机技术发展进程中，计算机的硬件和软件是相互依赖、相互支持、缺一不可的。计算机系统的组成如图1-6所示。

                         



二、计算机硬件的基本结构

       世界第一台电子计算机ENIAC诞生后，被称为计算机之父的美籍匈牙利数学家、宾夕法尼亚大学冯·诺依曼（Von
Neumann）教授提出了“存储程序和程序控制”的计算机工作原理，由此奠定了计算机硬件的基本结构。计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成，也称为计算机的五大部件。这五大部件通过系统总线互连，传递数据、地址和控制信号。这些系统总线按信号类型分成三类，分别称为数据总线、地址总线和控制总线。

1.中央处理器

       中央处理器，又称为中央处理单元，即CPU。它由控制器和运算器组成，通常集成在一块芯片上。计算机中的输入/输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。
（1）控制器
       控制器是对输入的指令进行分析，并控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序。

       简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据各类指令的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。
（2）运算器
       运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic
Logic Unit）。它的任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令所规定的寻址方式，运算器从存储器或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据及运算后的结果。

2.存储器

       存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。

       内存储器也称主存储器（简称主存），它直接与CPU相连，存储容量小，但存取速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内存一般由半导体存储器构成。半导体存储器可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种。

        外存储器又称辅助存储器（简称辅存），它是内存的扩充。外存存储容量大，价格低，但存储速度慢，一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果，需要时，可成批地和内存储器进行信息交换。外存只能与内存交换信息，不能被计算机系统的其他部件直接访问。常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。

3.输入/输出设备

       输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机所能识别的二进制数存放在内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。

       输出设备用于将存放在内存中的由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

三、计算机的工作原理

1.存储程序控制原理

        电子计算机采用了“存贮程序控制”原理。这一原理是1946年由美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼提出的，所以又称为“冯·诺伊曼原理”。这一原理在计算机的发展过程中，始终发挥着重要影响，确立了现代计算机的基本组成和工作方式，直到现在，各类计算机的工作原理还是采用冯·诺伊曼原理思想。冯·诺伊曼原理的核心是“存贮程序控制”。“存贮程序控制”原理的基本内容是：
（1）采用二进制形式表示数据和指令；
（2）将程序（数据和指令序列）预先存放在主存贮器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存贮器中取出指令，并加以执行；

（3）由运算器、存贮器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机系统，并规定了这五大部件的基本功能。冯·诺伊曼思想实际上是电子计算机设计的基本思想，奠定了现代电子计算机的基本结构，开创了程序设计的时代。
                                        



2.计算机的构成原理

     第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器；

     第二步：启动运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要求什么事；

     第三步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中；

第四步：当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。

 3.总线
        
计算机各大部分之间传送的信号有三种：数据、地址和控制信号（如图1-8所示）。传送数据信号的线称为数据总线DB(Data
Bus)，传送地址信号的线称为地址总线AB(Address Bus)，传送控制信号的线称为控制总线CB(Control
Bus)。这三总线将计算机五大部分连接起来。总线就像“高度公路”，总线上传送的信息则被视为公路上的“车辆”。显而易见，在单位时间内公路上通过的“车辆”数直接依赖于公路的宽度、质量。因此，总线技术成为计算机系统结构的一个重要方面。