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1.2功能模块级的计算机组成1.2.1计算机的Neumann体系结构1.2.2计算机系统的功能部件1.2.3计算机的工作过程计算机的主要工作是扩展和延伸人脑的功能。所以计算机又称为电脑。开关电路奠定了电子计算机的物理基础。基于这些电子器件，就可以用大规模集成电路技术制造计算机的有关构件。构建一个系统基本方法有两种：结构模拟法——如人脑主要由神经细胞，从制造神经细胞开始构建计算机，就是结构模拟法；功能模拟法——分析人脑的基本功能，分别制造能完成这些功能的模块，来模拟人脑的工作。现代计算机基本采用的是功能模拟法。这一节介绍如何划分计算机的功能模块以及这些功能模块如何一起工作。1.2.1计算机的Neumann体系结构先从算盘这一古老的运算工具说起。假设给了一个算盘，一张带横格的纸和一支笔。现在已知A、X、B和C的值，要求利用以上器件计算Y=A·X+B-C那么，应该怎样进行计算呢？12435678910111312首先，将横格编上序号。其次，把四个已知数A、B、C和X写到横格纸上。接着，把解题步骤写到横格纸上。紧接着，按照写到横格纸上的解题步骤，在算盘上进行运算，得到最终结果，把最终结果写到纸上给人看。取数(9)算盘乘法(12)算盘加法(10)算盘减法(11)算盘存数Y(13)停止输出(9)表示第9行数据A。下同完成A·X，结果在算盘上完成A·X+B，结果在算盘上完成A·X+B-C，结果在算盘上算盘上的Y值写到第13行把算盘上的Y值写出给人看运算完毕，暂停ABXC数据数据数据数据Y数据那么，在完成Y=A·X+B-C的计算过程中，我们用到了什么东西？首先，用到了带有横格且编有序号的纸，我们把原始数据和解题步骤记录在纸上，即纸“存储”了算题的原始信息。其次，我们用到了算盘。它用来对数据进行加、减、乘、除等算术运算。再次，用到了笔，利用笔把原始数据和解题步骤记录在纸上，还可以把计算结果告诉人。最后，用到了人本身。这主要包括人脑和手。正是在人的控制下，按照解题步骤一步一步进行计算，直到完成全部运算。电子数字计算机进行解题的过程也完全和我们用算盘解题的情况相似。也必须有运算工具、解题步骤和原始数据的输入和存储、运算结果的数据以及整个计算过程的调度控制。和打算盘不同的是以上部分都是由电子线路和其他设备自动进行的。在电子计算机中，算盘运算器纸(具有记忆存储功能)存储器人脑(自动控制整个计算过程)控制器笔(把原始数据和解题步骤送到计算机或把运算结果显示出来)输入设备/输出设备在此基础上，美国科学家VonNeumann提出了计算机的基本设计思想,其中心意思是：将程序和原始数据事先存放在主存储器中。其主要内容是：(1)采用二进制来表示数据和指令(2)将编写好的程序和原始数据送入主存储器中，然后启动计算机开始工作(3)计算机应该包括运算器、控制器、存储器、输入/输出设备五大部件，并且各自都有自己的功能据此，就形成了计算机的基本组成框图(如图1.15)1.运算器:一个对二进制数据进行加工处理的执行部件，它可以完成算术运算和逻辑运算。算术运算加、减、乘、除逻辑运算比较、移位、逻辑加、逻辑乘等通常，运算器由运算逻辑部件ALU、寄存器组及控制数据传送电路组成。其示意图(如图1.12)其中，ALU是具体完成算术与逻辑运算的部件；寄存器用于存放运算操作数据；累加器除了存放运算操作数据以外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果。寄存器和累加器的数据均从存储器取得，累加器的最后结果也存入到存储器中。1.2.2计算机系统的功能部件2.控制器:全机的指挥中心，它是统一指挥和控制计算机各部件进行工作的中央机构，控制和协调其他部件的工作。其工作的实质是解释程序。它每次从存储器读取一条指令，经过分析译码，产生一串操作命令。这些操作命令发向各个部件，控制各个部件的动作，使整个机器连续地、有条不紊地进行工作。控制信息的发源地是控制器。其产生控制信息的依据来自以下三个方面(如图1.11)：一是指令，它存放在指令寄存器中，是计算机操作的主要依据；二是各部件的状态触发器，其中存放反映机器运行状态的有关信息；三是时序电路，它能产生各种时序信号，使控制器的操作命令被有序地发送出去，以保证整个机器协调工作。控制器的基本任务就是按照计算程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放在控制器中，对指令的操作码由译码器进行分析判别；然后，根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作；接着，从存储器中再取出下一条指令，再执行这条指令；依次进行下去，直到计算程序执行完毕为止。3.存储器：用来存放程序和数据的部件，具有“记忆”功能。主要由地址寄存器、数据寄存器、存储体以及读写控制电路组成。其示意图如图1.14。存储器的两个基本操作是读出和写入。不管进行那种操作，都应知道存储单元的地址(为了区分存储体中的多个存储单元，为每个存储单元进行编号，此编号就是存储单元的地址(相当于前面所说的“纸”的编号))。访问存储器时，先由地址译码器将送来的单元地址进行译码，找到相应的存储单元；再由读写控制电路，确定访问存储器的方式，即取出(读)或存入(写)；然后，按照规定的方式具体完成取出或存入的操作。存储器所有存储单元的总数成为存储器的容量。用K、M、G、T表示。1T=210G=220M=230K=240B4.输入设备：变换输入形式的部件。它将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的二进制数据的信息形式，并将这些信息存入计算机的存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标器、图像扫描仪等。输入设备与主机间通过接口连接。接口的功能：数据缓冲；信息格式转换；主机与输入设备间互传状况的桥梁。5.输出设备：变换输出信息形式的部件。它将计算机运算结果的二进制信息转换成人或其它设备能接收和识别的形式。输出设备也通过接口与主机相连。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。通常，将运算器和控制器统称为中央处理单元CPU。而CPU连同主存储器一起成为主机。而输入/输出设备通称为外部设备。经过以上的分析，我们可以清晰地知了计算机的工作过程：先把编制好的程序和原始数据通过输入设备送入存储器保存；然后在计算机运行时，控制器从存储器中逐条取出指令，并将其进行分析解释成控制命令，去控制各部件的动作，使数据在运算器中进行加工处理。处理后的结果通过输出设备输出。1.2.3计算机的工作过程1.程序程序就是为特定问题求解而设计的指令序列。程序中的每条指令规定机器完成一组基本操作。如果把电子计算机完成一次任务的过程比作乐队的一次演奏，那么控制器就好比是指挥，计算机的其他功能部件好比是各个乐器与演员，而程序就好比是乐谱。因此，与其说是指挥在指挥乐队，不如说是乐谱在指挥乐队，或者说是指挥按照乐谱的规定指挥乐队。计算机的工作过程就是执行程序的过程，或者控制器是根据程序的规定对计算机实施控制的。2.指令程序是由指令组成的。指令是机器所能领会的一组编排成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段（指令周期）内，完成一组特定的操作。通常一条指令应包括如下基本内容：(a)指出计算机所应完成的一组操作内容，如传送（MOV）、加（ADD）、减（SUB）等。这部分称为指令的操作码部分。(b)两个操作数的地址和存放结果的地址及其寻找方式。由于运算器中设置了寄存器组，用以暂存一次运算的结果，并为下一次操作提供一个操作数，这时便可省去两个地址，形成单操作数地址指令。(c)为了保证程序执行的连续性，在执行一条指令的时候，还须指出下一条指令的地址。但是由于指令在存储器的程序区中一般是顺序存放的，所以只须设一个指令指针，每执行一条指令，指令指针自动加1，便可自动指出下一条指令地址，而不必在指令中专门指出下一条指令的地址。只有转移指令中才指出下一条指令的地址。这时指令指针的内容将由转移指令所指示的内容去改变。因此，指令的基本格式可以归结为操作码OP和操作数地址AD两部分。3.指令的执行(如图1.21)通常计算机执行一条指令的步骤如下：①把指令指针IP中的指令地址送存储器，按地址取出指令送指令寄存器IR；②根据IR中的地址码，由地址计算部件形成操作数地址送存储器，取出数据，送到运算器中的寄存器（寄存器组）；③将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码；④计算机有关部件在控制器发出的操作控制信号的控制下，执行操作码OP所规定的操作；⑤指令指针IP加1，形成下一条指令地址。如遇转移指令，则按转移指令对状态标志寄存器测试的结果，决定是否将转移指令中指出的指令地址送指令指针IP。存储单元存储单元存储体存储单元地址译码读写控制电路地址总线读/写命令数据总线0···000···011···11图1.14存储器组成框图返回控制信号产生逻辑指令寄存器状态触发器时序电路操作命令······图1.11控制器结构简图返回状态标志寄存器其他寄存器累加器运算部件图1.12运算部件工作示意图返回BA输入设备运算器输出设备存储器控制器图1.15典型的Neumann计算机结构返回图1.21控制器工作原理图返回