计算机硬件基本设备：了解核心组件

（一）计算机的存储程序工作原理

1.冯·诺依曼结构体系的特点

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。其系统组成如图3-1所示。

计算机之父，科学家冯·诺依曼（John von Neumann）结构体系奠定了现代计算机硬件的基本结构，其特点是：

（1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信等各项工作。

（2）存储单元采用定长的线性组织。

（3）存储空间的单元采用直接寻址的方式。

（4）使用机器语言，利用操作码对指令传达如何来完成简单的操作。

（5）对计算进行集中的顺序控制。

（6）计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成，并且对于它们的基本功能进行了详细的规定。

（7）采用二进制数的形式来表示数据和指令。

（8）在执行程序和处理数据时，程序和程序处理时所需要的数据将从外存储器中装入到主存储器中，计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令和数据并加以执行。利用这种方式对程序和数据进行处理就被称为存储程序控制原理。

图3-1　计算机系统组成

2.计算机指令

计算机根据用户预先的安排，自动地进行数据及信息的快速计算和加工处理。人们预先的安排是通过一连串的指令序列来表达的，这个指令序列就称之为程序。一条指令规定计算机执行一个基本操作；一个程序规定计算机完成一项完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。在微型计算机的指令系统中，主要采用了单地址和二地址指令。在指令中，第一个部分是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第二个部分是操作数。

计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令。计算机的内存被划分成若干个存储单元，每个存储单元可存放一个8位二进制数。这个8位二进制数既可以是数据又可以是程序代码。为了能有效地进行数据或代码的存取，计算机给每个单元都定义了一个唯一编号，以便识别。这个唯一的编号就是存储单元的地址。

3.计算机的工作原理

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入主存中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。

计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等。(www.xing528.com)

4.计算机硬件系统

硬件通常是指构成计算机的实体物理设备。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作。当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。如图3-2所示。

图3-2　计算机硬件基本结构

（1）中央处理器（CPU）

CPU（central processing unit）即中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集成在一块芯片上，它是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为核心，输入和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。

控制器是对输入的指令进行分析，并统一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，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微操作命令，以指挥整个计算机有条不紊的工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令指针寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指令操作。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种指令的需要，综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微操作命令。

运算器又称算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要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，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储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以及运算后的结果。

（2）存储器

存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中。内存一般由半导体材料构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。

随机存取存储器（Random Access Memory）RAM，其特点是可以读取数据，也可以改写数据，存取任一单元所需的时间相同，通电使存储器内的内容可以保持，断电使存储的内容立即消失。

RAM又分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。即：DRAM和SRAM。

只读存储器（Read Only Memory）ROM，其特点是只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。ROM分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内容可以反复更改。

（3）输入/输出设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制代码存入到存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、条形码读入器等。

输出设备用于将存在内存中的由计算机处理的结果转变为人能识别的输出信息。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（4）总线

总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。

典型的微型计算机系统的结构，通常多采用单总线结构。一般按信号类型将总线分为三种，即：地址总线（Address Bus）AB、数据总线（Data Bus）DB、控制总线（Control Bus）CB。