2.2 计算机系统的组成

2.2.1 冯·诺依曼体系结构

1946年，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼领导的研究小组发表了关于 EDVAC 计算机的论文，具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想，宣告了电子计算机时代的到来。

EDVAC是第一台具有现代意义的并行计算机，与ENIAC不同，EDVAC首次使用二进制而不是十进制。整台计算机使用了大约6 000个电子管和12 000个二极管，功率为56kW，占地面积45.5m2，重7 850kg，使用时需要30个技术人员同时操作，如图2-7所示。

冯·诺依曼在EDVAC的研究中，提出了计算机的逻辑体系结构和存储程序的理论，即冯·诺依曼体系结构，主要包括以下内容。

（1）计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五个部分构成。它以控制器和运算器为中心，这两部分构成了如今熟知的中央处理器（CPU），如图2-8所示。

（2）确定了计算机采用二进制，指令和数据均以二进制数形式存储在存储器中。

（3）计算机按照程序规定的顺序将指令从存储器中取出，并逐条执行。

半个多世纪以来，计算机制造技术发生了巨大变化，但冯·诺依曼体系结构仍然沿用至今，依然遵守存储程序的原理。计算机硬件系统5个部件的主要功能如下所述。

1．运算器

运算器（Arithmetic Logic Unit,ALU）也称算术逻辑运算单元，它主要完成数据的加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等逻辑运算。

2．控制器

控制器（Control Unit）也称控制单元，具有控制计算机系统各部件正确有序运行的能力。

3．存储器

存储器是存储信息的部件，分为内存储器和外存储器。内存储器又称主存储器（Main Memory）或内存，它可以被CPU直接访问。冯·诺依曼体系结构中的存储器是指内存储器。

外存储器简称外存或辅助存储器，具有存储容量大、价格低、断电信息不丢失等特点。

地址（Address）即计算机将内存划分为若干存储单元，每个单元为8bits（1Byte）。为了方便存取，为每个单元编号，这个编号就称为内存地址。计算机按照地址存取内存单元。

4．输入设备

输入设备是外部向计算机输入信息的装置，如键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、摄像头等。

5．输出设备

输出设备是将计算机中的二进制信息以用户能接受的形式呈现出来的设备，如显示器显示文本、图像、图形、视频等信息，音箱播放声音，其他输出设备还有绘图仪、打印机等。

有些设备兼有输入、输出设备的特性，如计算机的硬盘等存储设备，它们可以被看作是特殊的输入和输出设备。

2.2.2 计算机的基本工作原理

1．指令、指令系统和程序

为了能够让计算机完成任务，需要为计算机提供一系列命令。为了便于理解计算机的基本工作原理，首先需要学习几个概念。

（1）指令：也称机器指令，是指计算机完成某个基本操作的命令，是计算机可以识别的二进制编码。指令能被计算机硬件理解并执行，是程序设计的最小语言单位。

一条计算机指令使用一串二进制代码表示，代码的位数称为指令长度。它通常包括两部分信息：操作码和操作数。操作码确定指令的功能，如进行加、减、乘、除等运算。操作数也称地址码，指明参与运算的操作数本身或操作数存储的地址。其格式如下：

计算机的字长是指计算机能一次直接处理的二进制数据的位数。指令长度可以和机器字长相同，也可以不相同。

（2）指令系统：一台计算机所有机器指令的集合称为计算机的指令系统。不同种类计算机的指令系统的指令数目与格式也不同。指令系统越丰富完备，编制程序就越方便灵活。

（3）程序：由指令组成，是为解决某一特定问题而设计的有序指令的集合，是为了得到某种结果而由计算机等具有信息处理能力的装置执行的指令序列。

2．计算机的工作过程

计算机按照程序的执行顺序逐条取出存储器中的指令，传输到CPU后执行。指令的执行过程如下所述。

（1）取指令阶段。在控制器的控制下，将存储器中的指令读入CPU的指令寄存器中。

（2）分析指令阶段。也称译码阶段，是指由指令译码器将指令代码转换为电子器件操作。如果指令中包含操作数，还要从寄存器中读取操作数。

（3）执行指令阶段。在控制器的控制下，执行译码器译码的具体操作，将结果写入目标操作数的地址。

（4）写回结果阶段。将最终结果写入相关寄存器或存储器。

这种基本思想就是“存储程序控制原理”，按照这种原理构造出来的计算机就是“存储程序控制计算机”，也称为“冯·诺依曼计算机”。