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计算机的基本结构和工作原理 * * 4.1.1 计算机的逻辑（功能）结构 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，人类通过计算机软件使用计算机。通过软件的包装，人们可以不必太多地了解机器本身的结构与原理，就可以方便灵活地使用计算机。 认识和理解计算机硬件系统的基本构成和工作原理，有利于在此基础上更好地理解软件系统中的各种概念，以及各种操作要求的必然性。从而，深刻认识计算机及其操作使用。 硬件（Hardware）系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。 图4.1 计算机硬件系统的基本结构。 现代电子计算机的奠基人： 英国科学家艾兰·图灵（Alan Mathison Turing） 图灵机（Turing Machine ，TM）：1936年提出了现代通用数字计算机的数学模型。这是一个描述计算步骤的数学模型，使用这种抽象计算机可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作 图灵测试（Turing Test）：1950年，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则该机器就具有智能。它奠定了人工智能的理论基础。 美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（Von Neumann） 在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可以归纳为如下几点： （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和数据，每条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存放地址。 （3）采用存储程序的概念，即将编制好的程序（由计算机指令组成的序列）和原始数据存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令执行。 CPU 冯·诺依曼设计思想确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出了“存储程序”的概念。 图4.2 冯·诺依曼计算机结构示意图 运算器又称算术逻辑部件（ALU——Arithmetical Logic Unit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。 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，如比较大小、移位、逻辑加等。 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。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。运算器每次执行什么操作是由当前指令的操作码来确定的。 1）运算器 2）控制器 控制器（Controller）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。 中央处理器即CPU（Control Processing Unit ）：控制器和运算器合称为CPU，是计算机的核心部件。CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。 寄存器的种类很多，主要的有： （1）通用寄存器 向ALU提供运算数据，或保留运算结果。一般CPU有多个通用寄存器。 （2）累加器A 这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。 （3）程序计数器PC 存放将要执行的指令的地址。 （4）指令寄存器IR 存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。 存储器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。 3）存储器 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制造。 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。外存储器用来存放当前暂不参加运行而又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。 将信息存入存储器谓之“写入”（Write）； 从存储器取出信息称为“读出”（Read）。 存储器的操作有写入操作和读出操作两种： 为了便于对存储器中存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。 位、字节 、字等 （1） 位(bit，缩写为b)：二进制的每一位(“0”或“1”)是二进制信息的最小单位。 （2） 字节(Byte,缩写为B)：一个字节由8位二进制代码组成，它们从左到右