计算机的基本组成及其工作原理(一)的组成

计算机的基本组成及其工作原理

1.1 计算机系统的组成

计算机系统由两部分组成：硬件系统和软件系统。

计算机硬件是构成计算机系统的功能组件的集合。它是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机零件和设备的总称，是计算机完成各种任务的物质基础。计算机硬件是有形有形的物理实体。

计算机软件是指与计算机系统的操作相关的各种程序以及与之相关的任何文档和数据的集合。程序是用编程语言描述的适合计算机执行的语句和指令序列。

未安装任何软件的计算机通常称为“裸机”，裸机无法工作。如果计算机硬件与计算机软件分离，那么它就变成了无用的机器。计算机软件与计算机硬件分离，将失去其运行的物质基础；因此，两者相互依存，缺一不可，共同构成了一个完整的计算机系统。

计算机系统的基本组成如图1-6所示。

1.2 计算机硬件系统的基本组成及工作原理

⑴计算机硬件由五个基本部分组成：算术单元、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

⑵ 在计算机内部使用二进制来表示程序和数据。

3 采用“存储程序”方式，将程序和数据放入同一个内存（内存）中，计算机可以自动从内存中取出指令高速执行。

可以说计算机硬件的五个主要组成部分中的每一个都具有相对独立的功能，并完成各自不同的任务。如图 1-7 所示，五个组件实际上在控制器的控制下协同工作。首先，在控制器输入命令的控制下，通过输入设备将代表计算步骤的程序和计算所需的原始数据发送到计算机的内存中。其次，计算开始时，在取指令的作用下，将程序指令一一发送给控制器。控制器对指令进行译码，根据指令的运算要求向存储器和运算单元发送存储、取指和运算指令，运算单元计算出结果并存储在存储器中。在控制器取指令和输出指令的作用下，计算结果通过输出设备输出。

1.算术单元（ALU）

算术单元也称为ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是完成算术和逻辑运算。算术运算是指加、减、乘、除及其复合运算。逻辑运算是指逻辑比较和“与”、“或”、“非”等逻辑判断等操作。在计算机中，任何复杂的运算都转化为基本的算术和逻辑运算，然后在算术单元中完成。

2.控制器（CU）

控制器CU（Controller Unit）是计算机的指令系统。控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。它的基本功能是从内部访问和执行指令。指令是指示计算机如何工作的一步操作，由操作码（操作方法）和操作数（操作对象）两部分组成。控制器通过地址访问内存，将选中的单元指令一一取出，分析指令，并根据指令产生的控制信号作用于其他组件，完成指令所需的工作。重复上述工作，确保计算机能自动连续工作。

通常，运算单元和控制器统称为中央处理器，或CPU（Central Processing Unit），是整个计算机的核心部件，是计算机的“大脑”。它控制着计算机的计算、处理、输入和输出。

集成电路技术是制造微型计算机、小型机、大型机和超级计算机的CPU的基础技术。它的发展极大地提高了计算机的速度和能力。 1965年，芯片巨头英特尔公司的创始人戈登摩尔给出了著名的摩尔定律：芯片上的晶体管数量每18到24个月就会翻一番。出乎所有人的意料，这个定律非常准确地预测了芯片的30年发展。 1958 年，第一代集成电路只包含两个晶体管。 1997 年，奔腾 II 处理器包含 750 万个晶体管。 2000年，奔腾4达到13微米技术，集成4200万颗。一个晶体管。 CPU中集成的晶体管数量越多，芯片的计算能力就越大。

3.内存

内存是计算机的存储设备，其主要功能是存储程序和数据。程序是计算机运行的基础，数据是计算机运行的对象。

⑴信息存储单元

程序和数据在计算机中以二进制形式存储在内存中。存储容量的大小以字节为单位。常用KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（千兆字节）和TB来表示。它们之间的关系是：1KB=1024B=210B，1MB=1024KB=220B，1GB=1024MB=230B，1TB=1024G=240B。在某些计算中，210（1024）默认为1000。

位：它是存储在计算机中的最小数据单位。机器字中的单个符号“0”或“1”称为二进制位，可以存储一个二进制数。

字节（Byte，简称B）：字节是计算机存储容量的计量单位，是数据处理的基本单位。 8 个二进制位构成一个字节。一个字节的存储空间称为一个存储单元。

字：计算机处理数据时，一次访问、处理和传输的数据长度称为一个字。一个字通常由几个字节组成。

Word Long：中央处理器可以同时处理的数据长度就是字长。字长决定了 CPU 的寄存器和总线的数据宽度。现代计算机的字长有 8 位、16 位、32 位和 64 位。

⑵内存分类

根据内存与CPU连接的紧密程度，可分为内部存储器（主存储器）和外部存储器（辅助存储器）两大类。存储器在计算机主机中，它直接与运算器和控制器交换信息。容量虽小，但访问速度快。一般只存储正在运行的程序和需要处理的数据。为了扩大内部存储器的容量，引入了外部存储器。外部存储器作为内部存储器的扩展和备份，间接与CPU通信，存放一些系统必须使用但不急用的程序和数据。程序必须传送到内存中。党可以执行。外存储器访问速度慢，但存储容量大，可以长时间存储大量信息。 CPU与内外存储器的关系如图1-8所示。

半导体存储器广泛用于现代计算机系统。从使用功能来看，半导体存储器可分为两大类：掉电后会丢失数据的易失性存储器和掉电后不会丢失数据的非易失性存储器。非易失性存储器。微机中的RAM是可以随机读写的易失性存储器，而ROM是非易失性存储器

3 内存的工作原理

为了更好的存储程序和数据，内存通常被分成许多等长的存储单元，每个单元可以存储一个合适的信息单元。所有存储单元都按特定顺序编号。这个数字称为存储单元的地址，或简称地址。存储单元和地址是一一对应的关系。需要注意的是，存储单元的地址和其中存储的内容是完全不同的。

对内存的操作通常称为访问内存。有两种方法可以访问内存。一种是选择地址后将数据存入内存单元，称为“写”；另一个来自选定的地址。从存储单元检索数据称为“读取”。可见，无论是读还是写，都必须先给出存储单元的地址。来自地址总线的内存地址经地址译码器译码（转换）后，找到相应的存储单元计算机原理教案下载，读写控制电路根据相应的读写命令确定对内存的访问方式，完成对内存的访问。读和写操作。数据总线用于传输写入内存或从内存中取出的信息。主存框图如图1-8

4. 输入设备

输入设备是将信息从计算机外部传输到计算机内部的设备。它的功能是将数据、程序等信息从熟悉的形式转换成计算机可以识别和处理的形式，输入计算机。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、光笔、扫描仪、数字化仪、条码阅读器等。

5. 输出设备

输出设备是将计算机的处理结果传输到计算机外部供计算机用户使用的设备。它的作用是将计算机内部的二进制形式的数据信息转换成人们需要或其他设备能够接受和识别的信息形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

通常我们将输入设备和输出设备统称为 I/O 设备（Input/Output）。它们都是计算机的外部设备。

1.1.3 计算机软件系统

一个完整的计算机系统由两部分组成：硬件和软件。硬件是构成计算机的物理实体。但是，只有硬件的计算机无法工作。计算机要解决各种问题，必须要有软件的支持，它是用户与硬件系统之间的接口。

“软件”一词​​是在 1960 年代初引入我国的。国际标准化组织 (ISO) 将软件定义为使用数据处理系统所需的电子计算机程序和程序、规则和文档的总称。对此定义的公认解释是软件由两部分组成：程序和文档。程序由计算机最基本的指令组成，是计算机能够识别和执行的操作步骤；文档是指用自然语言或形式语言编写的用于描述程序的内容、组成、功能规范、开发情况、测试结构和测试结构。使用文本数据和图表。程序有目的性和可执行性，文档是对程序的解释和描述。

程序是软件的主体。软件按功能可分为系统软件和应用软件两大类。

1. 1.系统软件

系统软件一般是指控制和协调计算机和外部设备，支持应用软件的开发和运行的系统，是无需用户干预的各种程序的集合。主要功能是调度、监控和维护计算机系统；它负责管理计算机系统中的各种独立硬件，使它们能够协同工作。系统软件允许计算机用户和其他软件将计算机视为一个整体，而无需考虑底层硬件的工作原理。

常用的系统软件主要是指操作系统，当然也包括语言处理程序（汇编和编译程序等）、服务程序（支持软件）、数据库管理系统。

⑴操作系统（Operating System）

操作系统是系统软件的核心。为了使计算机系统的所有资源（包括硬件和软件）协调有序地工作，必须使用软件进行统一管理和统一调度。该软件称为操作系统。它的功能是管理计算机系统的所有硬件资源、软件资源和数据资源。从图1-10可以看出，操作系统是最基本的系统软件，其他所有软件都是基于操作系统的。的。操作系统是用户和计算机硬件之间的接口。如果没有操作系统作为中介，用户对计算机的操作和使用将变得非常困难和低效。操作系统可以合理组织整个计算机工作流程，最大限度地提高资源利用率。操作系统在为用户提供方便、友好、灵活的服务界面的同时，也为其他软件的开发和运行提供了平台。它具有五个功能，分别是CPU管理、作业管理、内存管理、设备管理和文件管理。操作系统是每台计算机必不可少的软件。如今，一定规模的现代计算机甚至有几种不同的操作系统。操作系统的性能在很大程度上决定了计算机系统的优劣。微机常用的操作系统有DOS（磁盘操作系统）、Unix、Xenix、Linux、Windows98/2000、NetWare、WindowsNT、WindowsXP等

⑵ 语言处理程序

在介绍语言处理程序之前，有必要介绍一下计算机编程语言的发展。

软件是指计算机系统中的各种程序，程序是用计算机语言描述的指令序列。计算机语言是人与计算机之间进行交流的工具，这种交流称为计算机编程。编程语言按其发展演变可分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。前两者统称为低级语言。

机器语言是直接由机器指令（二进制）组成的，所以用它编写的计算机程序可以直接被计算机系统识别和运行，无需翻译。这种由二进制代码指令编写的程序的最大优点是执行速度快、效率高。它也有严重的缺点：机器语言难掌握，编程繁琐，可读性差，容易出错，依赖于特定的机器。 , 通用性差。

汇编语言（Assemble Language）使用某些助记符来表示机器语言中的指令和数据。它是一种符号化的机器语言，也称为“符号语言”。汇编语言程序指令的操作码和操作数都用符号表示，极大地方便了记忆。但是，助记符所代表的汇编语言与机器语言是一一对应的，取决于具体的计算机。因此，它们都是低级语言。它也有机器语言的缺点，如缺乏通用性、繁琐、容易出错等），但程度不同。用这种语言编写的程序（汇编程序）不能直接在计算机上运行。它必须首先被称为汇编器的系统程序“翻译”成机器语言程序，然后才能被计算机执行。任何一种计算机都配备了一个只适用于自身的汇编器（Assembler）。

高级语言也称为算法语言。它与机器无关。它是一种类似于人类自然语言或数学公式的计算机语言。高级语言克服了低级语言的许多缺点。易学易用，可读性好，表达能力强（用更接近自然语言的英文单词表达句子），通用性好（高级语言编写的程序可以在不同的计算机系统上使用） 但是，用高级语言编写的程序仍然不能被计算机直接识别和执行，必须经过一定的转换才能执行。

功能强大的高级语言种类很多。常用的高级语言包括：面向过程的Basic、科学计算的Fortran、结构化编程的Pascal、业务处理的COBOL、支持现代软件开发的C语言；现在有VB（Visual Basic）、VC++（Visual C++）、Delphi、Java等面向对象语言，大大提高了计算机语言解决实际问题的能力。

Ø Ø Fortran语言于1954年提出，1956年实现，适用于科学和工程计算，已经拥有比较完善的工程设计计算库和工程应用软件。

Ø Pascal语言是一种结构化的程序设计语言，适用于教学、科学计算、数据处理和系统软件开发等，逐渐被C语言取代。

Ø Ø C语言由美国贝尔实验室研制成功，是一种具有高度灵活性的高级语言。其语言程序简单、功能强大，适用于系统软件、数据计算、数据处理等，成为目前最常用的编程语言之一。