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第1章 计算机基础知识 第1章 计算机基础知识 1.1 本章导读 1.2 计算机系统结构及工作原理 我们现在普遍使用的通用电子数字计算机（简称计算机）是一种现代计算工具。电子计算机最基本的工作特点是人将其启动后能自动进行计算直至得出最终答案。 为了具有自动计算能力，需要为计算机设计一套完整的部件，使之除了具有存储数据的功能外，还应能够允许人向机器输入预先编写的指令，然后使机器自动执行这套指令对数据进行计算，最后将计算结果以人能够看到的形式输出。这是对计算机组成结构的基本要求。 1.2.1 计算机的体系结构—冯·诺依曼结构 1945年，冯·诺依曼主持的研究小组发表了“存储程序通用电子计算机方案” —EDVAC。 这个方案首次提出了“存储程序和程序控制”思想，依据该方案所设计的计算机体系结构也称为冯·诺依曼机器模式。 “程序”的概念 “程序”是指完成一系列操作的指令集合。在冯·诺依曼体系结构中，指令是用代表一定操作含义的数字组成，因此能够以数据的方式存储在存储器中。 为了区分指令和数据，将指令放置在指定的存储器地址中，而数据的存储地址在指令中给出明确标示或计算方式。 程序一旦启动，计算机就能够从指定位置取出指令并执行，在执行中根据数据地址取出数据进行计算，从而不会混淆指令和数据。 1. 运算器 运算器又称算术逻辑部件（ALU），是进行算术运算和逻辑运算的部件。 运算器在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术和逻辑运算。算术运算指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值等；逻辑运算泛指非算术性质的运算，如比较数的大小、数字移位、逻辑加等。 在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。运算器的工作内容是由当前指令的操作码来确定的。 2. 控制器 控制器是计算机的控制指挥中心，计算机的神经中枢。它的基本功能是从内存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作 ，保证计算机能自动、连续地工作。 控制器和运算器合起来称为中央处理器(CPU)。CPU是计算机的核心部件。 除控制器和运算器外，还包括若干寄存器（register），用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。 CPU中的寄存器（register） 寄存器主要分为两类：通用寄存器和专用寄存器。 通用寄存器用于临时保存CPU正在操作的数据，包括向ALU提供的数据和ALU的运算结果。 专用寄存器：一个是指令指针（IP，也称为程序计数器），用于存放将要执行的下一条指令的地址，当控制器从内存中取出一个指令字节后，IP就自动加1，指向下一条指令。另一个是指令寄存器（IR），用于存放正在执行的指令，或存放根据指令指针中的地址信息从内存储器中取出的指令。 3. 存储器 存储器（memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。 存储器分为内存储器和外存储器两类。 内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提供信息。内存储器一般采用半导体材料和集成电路制造。冯·诺依曼结构中的存储器仅指内存。 外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特殊接口与CPU连接。外存储器用来存放需要长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能运行。软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。 4. 输入设备 输入设备（input device）是将程序、命令或数据等信息输入到计算机的装置。输入设备把它们转换成计算机能够识别的形式，存放在内存中。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪等。 5. 输出设备 输出设备（output device）是将计算机处理后的结果（通常在内存）进行输出的设备。输出结果要转换成人们能够接受的形式，例如数据、文字、图形、表格等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。 总线 在计算机的五大基本部件之外，还需要一个重要部件—总线。为了使计算机的各功能部件构成一个可协调工作的系统，必须把它们按某种方式有组织地连接在一起，连接线作为计算机各部件之间传送信息的公共通道，这些特殊的连接线就称为总线（BUS）。在布有总线的电路系统中，信号可以从多个信号源中的任一信号源发出，通过总线到达多个信号接收部件中的任一部件。 计算机中有3种不同的总线—数据总线、地址总线和控制总线，分别用于传送数据信号、地址信号和控制信号。 冯·诺依曼体系结构的特点 (1) 计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了规定。 (2) 计算机内部采用二进制数码来表示指令