1.1 计算机的基本结构和工作原理
1.1.1 计算机的基本结构
第一台电子数字计算机虽然是作为一种计算工具出现的，然而经过几十年的发展，从构成器件上、性能的提升上和应用的发展上都出现了惊人的变化。但是，究其基本组成结构，万变不离其宗，都可归结于如图1-1所示的基本结构，即计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。
图1-1 计算机的基本结构框图
① 运算器：计算机对各种数据进行运算，对各种信息进行加工、处理的部件，它是数据运算、加工和处理的中心。
② 存储器：计算机存放各种数据、信息和执行程序的部件，包括存放供运算、加工的原始数据，运算、加工的中间结果，运算加工的最终结果，以及指挥控制进行运算、加工的指令代码。存储器是存放数据的大仓库，又分为主存储器（又称内存）和辅助存储器（又称外存）。
③ 输入设备：给计算机输入各种原始信息，包括数据、文字、声音、图像和程序，并将它们转换成计算机能识别的二进制代码存入存储器中。因此，输入设备是信息接收并进行转换的装置。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、手写板及数码相机等。
④ 输出设备：将计算机中各种数据运算的结果，各种信息加工、处理的结果，以人们可识别的信息形式输出。因此，输出设备是信息输出并进行转换的装置。常用的输出设备有显示器、打印机等。
输入、输出设备是人机交互的设备，统称为外部设备，简称外设。
⑤ 控制器：计算机对以上各部件进行控制、指挥，以实现计算机运行过程自动化的部件。因此，控制器是计算机发布操作命令的控制中心和指挥系统。当然，这种控制和指挥是要由人们事先进行设计的，即人们需要事先把解题和处理的步骤（Program）根据设计要求，按先后顺序排列起来，也就是编制成程序，由输入设备送入存储器中存放起来。经启动计算机运行程序后，便由控制器控制、指挥各组成部件，自动完成全部处理过程，直至得到预定的计算结果，并转换成可识别的信息。
1.1.2 计算机的工作原理
由图1-1可见，计算机中有两类信息在流动。一类是数据，用双线表示，包括原始数据、中间结果、最终结果及程序的指令信息；另一类是控制命令，用单线表示。数据和控制命令都是用“0”和“1”表示的二进制信息。
现在，以21×12-117÷13这一简单的算术运算为例，展示一下计算机的工作过程。
图1-2 程序和数据的存放
第一步：由输入设备将事先编制好的解题步骤（即程序）和原始数据（21，12，117和13）输入到存储器指定编号的地方（或称单元）存放起来，并在存储器中划出存放中间结果和最终结果的单元，如图1-2所示。
第二步：启动计算机，从第一条指令开始执行程序。计算机便在程序的控制下自动完成解题的全过程，包括：
（1）把第1个数据21从存储器中取到运算器（取数操作）。
（2）把第2个数据12从存储器中取到运算器，进行21×12运算，并得到中间结果252（乘法运算）。
（3）将运算器中的中间结果252送到存储器中暂时存放（存数操作）。
（4）把第3个数据117从存储器中取到运算器（取数操作）。
（5）把第4个数据13从存储器中取到运算器，并进行117÷13的运算，运算器中得到中间结果9（除法运算）。
（6）将运算器中的中间结果9送到存储器中暂时存放（存数操作）。
（7）将暂存的两个中间结果先后取入运算器，进行252-9的运算，得到最终结果243，并存入存储器中保存。
第三步：将最终结果243直接由运算器（或存储器）经输出设备输出，如打印出来。
第四步：停机。
以上就是迄今为止，电子计算机共同遵循的计算机结构原理和程序存储及程序控制的计算机工作原理。这种原理是1945年由冯·诺依曼（John Von Neumann）提出的，故又称为冯·诺依曼型计算机原理。
图1-1的五大基本组成部分是计算机的实体，统称为计算机的硬件（Hardware）。包括解题步骤在内的各式各样的程序称为计算机的软件（Software）。硬件中的运算器、控制器和存储器称为计算机系统的主机，其中运算器和控制器是计算机结构中的核心部分，又称为中央处理器CPU（Central Processing Unit）。