计算机原理

现代化研

计算机原理

从第一台计算机的问世算起，到现在才有60余年，在人类科技史上还没有一种科学可以与计算机的发展之快相提并论。
中文名 计算机原理 提出者冯·诺依曼（Von Neumann）与莫尔小组 提出时间 1943——1946 适用领域范围 科学计算 适用领域范围 信息管理

目录
1 发展简史
2 诺依曼机
3 发展阶段
▪ 第一代
▪ 第二代
▪ 第三代
▪ 第四代
4 分类
▪ 大型机
▪ 巨型机
▪ 小型机
▪ 微型机
5 主要应用
6 系统构成
▪ 硬件系统
▪ 软件系统
7 工作过程
8 PC组成
9 计算机原理人话版

发展简史
1943——1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机ENIAC（Electronic Numerical And Computer）是世界上第一台电子多用途计算机。一般认为它是现代计算机的始祖。
早期计算机
早期计算机
与ENIAC计算机研制的同时，冯·诺依曼（Von Neumann）与莫尔小组合作研制EDVAC计算机，采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯·诺依曼计算机。
诺依曼机
Von Neumann具有以下特点： （1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。
冯·诺依曼
冯·诺依曼
（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
（3）数据以二进制代码表示。
（4）指令由操作码和地址码组成。
（5）指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。
（6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。
现代计算机系统结构有了很大新发展，但原则上变化不大，习惯上仍称之为冯·诺依曼机。

发展阶段

根据计算机所采用的物理器件的发展，一般把电子计算机的发展分成四个阶段，习惯上称为四代。

第一代

电子管计算机时代（从1946年到50年代后期），其主要特点是采用电子管作为基础器件。代表机型IBM公司的IBM650。

第二代

晶体管计算机时代（从50年代中期到60年代后期），采用的主要器件逐步由电子管改为晶体管，缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，降低了价格。代表机型控制数据公司（CDC）的大型计算机系统CDC6600.

第三代

集成电路计算机时代（从60年代中期到70年代前期），计算机采用集成电路作为基本器件，功耗、体积、价格进一步下降，速度和可靠性相应的提高。代表机型IBM公司的IBM360.

第四代

大规模集成电路计算机时代（从70年代初至今），70年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高速度发展。1984年内含2300个晶体管的Intel4004芯片问世，开启了现代计算机的篇章。

分类

大型机

大型机是反映各个时期先进计算技术的大型通用计算机，其中以IBM公司的大型机系列影响最大。60
计算机系统构成
计算机系统构成
年代的IBM360系统，70年代和80年代的IBM370系统曾占领大型机的主要市场。90年代IBM推出的大型机系列为IBMS/390系列，都是大型机的代表之作。

巨型机

现代科学技术，尤其是国防技术的发展，需要有很高运算速度、很大存储容量的计算机，一般大型通用计算机不能满足要求。集成电路的进展，为制造巨型机提供了条件。微处理器的发展为阵列结构的巨型机发展带来了希望。如古德伊尔公司为美国宇航局（NASA）研制了一台处理卫星图像的计算机系统MPP，该机由16384个微处理器组成128*128方阵。

小型机

小型机规模小、结构简单所以设计试制周期短，便于及时采用先进工艺，生产量大，硬件成本低。小
硬件系统
硬件系统
型机的出现打开了再控制领域应用计算机的局面，许多大型分析仪器、测量仪器使用小型机进行数据采集、整理、分析、计算等。

微型机

微型机的出现与发展，掀起计算机大普及的浪潮，利用4位微处理器Intel 4004组成的MCS-4是世界上第一台微型机，它于1971年问世。我们工作学习生活中用的PC就是微型机。1978年Intel成功开发了16位微处理器Intel8086。1981年32位微处理器Intel80386问世。随着技术的不断发展，已经进入64位双核微处理器时代。
系统总线
系统总线
其它还有工程工作站、联机系统和计算机网络，这些就不再赘述，有兴趣的读者可以自己搜索资料。
这里所说的计算机原理，主要以微型机为主，因为微型机与我们的生活关系最为密切。

主要应用
1、科学计算
2、信息管理
CPU
CPU
3、过程控制
4、计算机网络与通信
5、计算机辅助教学、设计、制造
6、仪器仪表与家电控制
计算机的主要应用
数据可分为数值数据和非数值数据两大类。从计算机所处理数据的类型这个角度来看，计算机的应用原则上应该分成科学计算和非数值计算两大类。后者包括信息处理、过程控制、计算机辅助设计、计算机辅助教学、人工智能等，其应用范围远远超过前者。计算机的应用已形成了一门专门的学科，它主要包括以下几方面的内容：
1.科学计算
I/O接口
I/O接口
即纯数值计算，主要是解决科学研究领域的一些复杂的数学问题，计算量大而且精度要求高。例如：气象预报、人造卫星轨道的计算等都属于这方面的应用。
2.过程控制
过程控制是指利用计算机对生产或其他过程中的数据及时采集，并按最佳方案实现自动化。过程控制可以提高自动化程度，减轻劳动强度、提高生产效率、降低生产成本，保证产品质量的稳定。
3.信息处理
信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一。信息处理是指用计算机对各种形式的信息（如文字、图像、声音等）收集、存储、加工、分析和传送的过程。当今社会，计算机在信息处理领域的应用，对办
键盘
键盘
公自动化、管理自动化乃至社会信息化都起着积极的促进作用。
4.计算机辅助系统
1）计算机辅助设计
计算机辅助设计简称为CAD（ComputerAidedDesign），它是利用计算机帮助人们进行各种工程和复杂产品的设计。CAD技术不仅提高了设计质量，而且也提高了自动化程度，大大缩短了新产品的设计与试制周期，从而成为生产现代化的重要手段。
2）计算机辅助制造
计算机工作过程
计算机工作过程
计算机辅助制造简称为CAM（ComputerAidedManufacturing）。它是利用计算机直接控制零件的加工，实现无图纸加工。
3）计算机辅助教学
计算机辅助教学简称为CAI（ComputerAssistedInstruction）。它是指利用多媒体和网络技术，使得网上教学和远程教学得以实现。利用CAI，可将课程内容编成图文并茂的软件，使教学过程更加形象化。对于不同程度的学生可以自主选择不同的教学内容和教学进度，改变了教学的单一模式。

系统构成
计算机系统构成
由上图我们可以看出，计算机系统包含硬件系统和软件系统，硬件系统是计算机的基础，软件系统是计算机的上层建筑。一个完整的计算机系统必须包含硬件系统和软件系统，只有硬件系统没有软件系统的机器叫裸机。

硬件系统

硬件系统一般包括：微处理器（CPU）、内存储器、输入/输出接口、系统总线、外部设备。
其中，各部件之间的信号传输要通过系统总线来完成。系统总线
CPU
1、微处理器（CPU） CPU是电脑系统的心脏，电脑特别是微型电脑的快速发展过程，实质上就是CPU从低级向高级、从简单向复杂发展的过程。
CPU（Central Processing Unit）又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。
主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生产提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。
2、内存储器和辅助存储器
内存储器简单的说就是我们通常说的内存。辅助存储器简单的说就是指硬盘和光驱。
内存
3、输入/输出接口
I/O接口
IDE接口，一般用于连接硬盘和光驱，这个接口逐渐被SATA接口所代替；SCSI接口主要是用作连接SCSI接口的硬盘；USB接口一种通用万能插口，支持热插拔；IEEE 1394接口比USB接口提供了更高的速率，同时也支持热插拔。AGP接口，主要是用来连接显卡，但是随着技术的发展，逐渐被PCI-E接口所取代。
4、系统总线
总线一般有两类：一类是连接计算机内部各模块的总线，如连接CPU、存储器和I/O接口的总线，常用的有ISA总线、EISA总线、PCI总线等；另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线，常用的有EIA-RS232C串行总线和IEEE-488并行总线等。
5、外部设备
外部设备 一般包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
软件系统

软件系统包括：系统软件和应用软件
1、系统软件
Windows 系列、 Linux系列等
系统软件包括：操作系统、服务型程序、语言处理程序。
2、应用软件
应用软件包括：定制应用软件和通用应用软件。
工作过程
可以简单概括为输入、处理、输出和存储4个过程。
1.输入是指接受由输入设备（如键盘）提供的信息；
2.处理是对信息进行加工处理的过程，并按一定方式进行转换；
3.输出是将处理结果在输出设备上（如显示器等）显示或打印等操作；
4.存储是将原始数据或处理结果进行保存以便再次使用。
这4个步骤组成一个循环过程。输入、处理、输出和存储并不一定按照上述的顺序操作。在程序的指挥下，计算机根据需要决定采取哪一个步骤。个人计算机的工作过程是通过输入设备（键盘或鼠标等）输入用户的操作命令或数据，计算机的处理单元（微处理器）接受到输入命令后，进行处理并将结果在计算机的输出设备（显示器或打印机等）上输出，也可以将结果保存在计算机的存储器（硬盘或软盘）上。因此，计算机对于某种输入命令所要进行的对应操作，是由事先保存在计算机中的程序决定的。
计算机工作过程
PC组成
PC一般由主机和输入输出设备组成。主机一般由CPU、主板、内存、硬盘、显卡、光驱、电源、机箱、散热器等组成；输入输出设备一般包括键盘、鼠标、显示器等。这样由主机和输入输出设备组成了一台裸机，只有再安装好操作系统和应用软件以后，才称得上一台真正的计算机。
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现代化研

计算机工作原理

计算机的基本原理是存储程序和程序控制。预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

目录
1 基本原理
2 系统架构
3 指令
4 硬件
▪ 简介
▪ 中央处理器
▪ 控制器
▪ 运算器
▪ 存储器
▪ 输入输出设备
▪ 总线
5 技术指标
▪ CPU类型
▪ 字长
▪ 时钟频率和机器周期
▪ 运算速度
▪ 存取速度
▪ 内、外存储器容量
6 演变
▪ 早期的计算机
▪ 有内部存储器
▪ 纸带机
▪ 有键盘和显示器
▪ 有外部存储器
▪ 有文件系统
▪ 有操作系统
7 软件系统
▪ 应用软件
▪ 硬件和软件的结合
▪ 操作系统对文件的管理

基本原理

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。
程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。

系统架构
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，这一结构又称冯·诺依曼结构，其特点是：
1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。
2）存储单元是定长的线性组织。
3）存储空间的单元是直接寻址的。
4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。
5）对计算进行集中的顺序控制。
6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。
7）采用二进制形式表示数据和指令。
8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

指令
计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令，其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令，整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码，为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。
按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在后续的内容中将会着重介绍。

硬件

简介

硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。现代计算机还包括中央处理器和总线设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。

中央处理器

CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。

控制器

控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指令操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。

运算器

运算器又称积极态度逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

存储器

存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。 RAM RAM是随机存取存储器（Random Access Memory），其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。 ROM ROM是只读存储器（Read Only Memory），它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内可以反复更改。 特殊固态存储器 包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。 此外，描述内、外存储容量的常用单位有： ①位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。 ②字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte=8bit。 ③千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB=1024Byte。 ④兆字节（MB　Mega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB=1024KB。 ⑤吉字节（GB、Giga Byte）：目前市场流行的微机的硬盘已经达到430GB、640GB、810GB、1TB等规格。1GB=1024MB。 ⑥太字节（TB、Tera byte）：1TB=1024GB。最新有了PB这个概念，1PB=1024TB。

输入输出设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。 输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

总线

总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构通常多采用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB（Address Bus）为地址总线；DB(Data Bus)为数据总线；CB（Control Bus）控制总线。

技术指标

CPU类型

CPU类型是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。

字长

字长是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，字长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。

时钟频率和机器周期

时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。

运算速度

是指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）

存取速度

是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。而边连续两次或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。

内、外存储器容量

是指内存存储容量，即内容储存器能够存储信息的字节数。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、软盘已是微机系统中不可缺少的外部设备。迄今为止，所有的计算机系统都是基于冯·诺依曼存储程序的原理。内、外存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈现象，不过由于硬盘的存取速度不断提高，目前这种现象已有所改善。

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笔记本电脑工作原理：

http://www.360doc.com/content/13/0705/09/2283188_297758264.shtml



微型计算机原理及应用-(第四版)：

http://product.dangdang.com/1401421508.html



计算机原理及应用_百度文库：

http://wenku.baidu.com/link?url= ... DTFtbX616IjSSakLsrK