计算机系统工作原理-信息技术

2023-11-01 理论教育版权反馈

【摘要】：1946年，冯·诺依曼和他的同事们在一篇题为《关于电子计算机逻辑设计的初步讨论》的论文中提出了“存储程序控制”工作原理，确立了现代计算机的基本组成和工作方式，实现了自动化信息处理。计算机内部的指令和数据一律采用二进制表示。一台计算机所能执行的各种不同指令的全体，称为计算机的指令系统。

1946年，冯·诺依曼和他的同事们在一篇题为《关于电子计算机逻辑设计的初步讨论》的论文中提出了“存储程序控制”工作原理，确立了现代计算机的基本组成和工作方式，实现了自动化信息处理。

1.“存储程序控制”工作原理

“存储程序控制”工作原理的内容可以简单概括为3点。

（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成，并规定了五大部件的基本功能。

（2）计算机内部的指令和数据一律采用二进制表示。

（3）采用“存储程序”方法，由程序控制计算机按顺序从一条指令到另一条指令，自动完成规定的任务。

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。一台计算机所能执行的各种不同指令的全体，称为计算机的指令系统。每一台计算机均有自己特定的指令系统，其指令内容和格式有所不同。通常一条指令包括两方面的内容：操作码和操作数。操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。

人们把按照“存储程序控制”工作原理设计的计算机结构称为“冯·诺依曼体系结构”计算机，简称冯氏计算机，如图1-4所示。

图1-4　冯·诺依曼体系结构

2.计算机五大核心部件的基本功能

（1）运算器（Arithmetic/Logic Unit，ALU）：是计算机实现数据处理功能的单元，如算术运算（加、减、乘、除）、逻辑运算（与、或、非）。运算器会将存储在存储单元中的数据取出，在执行运算与逻辑判断后，将结果存回存储器中。

（2）控制器（Control Unit，CU）：主要用于控制计算机的操作，如读取各种指令，并对指令进行分析，做出相应控制，协调输入/输出（Input/Output，I/O）操作和内存访问等工作。运算器与控制器组合起来成为计算机的核心——中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

（3）存储器（Memory Unit，MU）：可分为内存储器与外存储器两大类，是计算机专门用来存放数据与程序的地方。内存储器用来存放处理中的程序和数据；外存储器则用来存放暂时不使用的程序和数据，常见的有硬盘、光盘、闪存盘等。

（4）输入设备（Input Unit，IU）：向计算机输入数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等。

（5）输出设备（Output Unit，OU）：计算机用来输出已处理的数据的设备，如显示器、打印机、扬声器等。(www.chuimin.cn)

冯·诺依曼体系结构中数据流、指令流、控制流，主要由计算机的总线实现传输。总线是计算机部件之间传送信息的公共通道。从功能上来看，总线可分为数据总线（Data Bus，DB）、地址总线（Address Bus，AB）、控制总线（Control Bus，CB）。总线可以单向传输数据，也可以双向传输数据，并能在多个设备之间选择出唯一的源地址和目的地址。

3.冯氏计算机的工作步骤

冯氏计算机以存储器为中心，由控制器控制，其工作步骤为：

（1）输入设备将数据和程序送入存储器，从存储器中取出程序指令送到控制器。

（2）控制器分析该指令要做什么事，根据指令的含义发出相应命令，将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算。

（3）经运算程序运行的结果被送回存储器指定的单元中。

（4）运算完成后，将运算结果通过输出设备输出。

4.拓展知识——哈佛结构计算机

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，是一种并行体系结构。它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理，减轻程序运行时的访存瓶颈。

哈佛结构的计算机由CPU、程序存储器和数据存储器组成，如图1-5所示。程序存储器和数据存储器采用不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能。

哈佛结构的中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令储存和数据储存分开，数据和指令的储存可以同时进行，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

改进型哈佛结构如图1-6所示，它在哈佛结构的基础上将两个存储器的地址总线和数据总线进行了合并。公用地址总线用于访问程序存储模块和数据存储模块，公用数据总线用于完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

图1-5　哈佛结构

图1-6　改进型哈佛结构

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