1.2.2　计算机工作原理

1.冯•诺依曼结构

以冯·诺依曼为首的研制小组于1945年提出了“存储程序控制”的计算机结构，该结构被称为“冯·诺依曼结构”，它奠定了现代计算机的基本结构。

存储程序概念可以简要地概括为以下三方面：

①计算机（指硬件）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

②计算机内部采用二进制来表示指令和数据。

③将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。

其中，五大基本部件中的运算器、控制器和存储器简介如下：

①运算器：核心部件是算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），是计算机对信息数据进行处理和运算的部件，它的主要功能是进行算术运算和逻辑运算。

②控制器：是计算机的指挥中心，负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，根据指令的要求，按时间先后顺序向其他各部件发出控制信息，保证各部件协调一致地工作。

③存储器：是计算机记忆或暂存数据的部件，用来保存数据、指令和运算结果等，一般分为内存储器和外存储器。

2.计算机的工作原理

计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。指令是指计算机能够识别并执行某种基本操作的命令。一条指令通常分成操作码和地址码两部分，操作码指明计算机执行何种操作，如加法、取数操作等；地址码指明参与运算数据在内存或I/O设备的位置。计算机系统中所有指令的集合称为该计算机的指令系统。当计算机在工作时，有两种信息在执行指令的过程中流动：数据流和控制流。

一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，指令执行越快。通常所说的CPU主频就反映了指令执行周期的长短。

指令的执行过程一般分为以下几个步骤：

①取指令：将要执行的指令从内存中取出送到CPU。

②分析指令：由译码器对指令的操作码进行译码，并转换成相应的控制信号。

③执行指令：根据操作码和操作数完成相应操作。

④产生下一条指令的地址。

⑤重复步骤①～④。