計算機工作原理和發展歷史(一)?

給大家介紹計算機工作原理和發展歷史,有興趣的可以看一下

工具/原料

計算機

方法/步驟

計算機的基本原理是儲存程式和程式控制。預先要把指揮計算機如何進行操作的指令序列(稱為程式)和原始資料通過輸入裝置輸送到計算機記憶體貯器中。每一條指令中明確規定了計算機從哪個地址取數,進行什麼操作,然後送到什麼地址去等步驟。

計算機在執行時,先從記憶體中取出第一條指令,通過控制器的譯碼,按指令的要求,從儲存器中取出資料進行指定的運算和邏輯操作等加工,然後再按地址把結果送到記憶體中去。

接下來,再取出第二條指令,在控制器的指揮下完成規定操作。依此進行下去。直至遇到停止指令。

程式與資料一樣存貯,按程式編排的順序,一步一步地取出指令,自動地完成指令規定的操作是計算機最基本的工作原理。這一原理最初是由美籍匈牙利數學家馮.諾依曼於1945年提出來的,故稱為馮.諾依曼原理。

計算機系統由硬體系統和軟體系統兩大部分組成。美藉匈牙利科學家馮·諾依曼(John von Neumann)奠定了現代計算機的基本結構,這一結構又稱馮·諾依曼結構。

其特點是:

1)使用單一的處理部件來完成計算、儲存以及通訊的工作。

2)儲存單元是定長的線性組織。

3)儲存空間的單元是直接定址的。

4)使用低階機器語言,指令通過操作碼來完成簡單的操作。

5)對計算進行集中的順序控制。

6)計算機硬體系統由運算器、儲存器、控制器、輸入裝置、輸出裝置五大部件組成並規定了它們的基本功能。

7)採用二進位制形式表示資料和指令。

8)在執行程式和處理資料時必須將程式和資料從外儲存器裝入主儲存器中,然後才能使計算機在工作時能夠自動調整地從儲存器中取出指令並加以執行。

計算機根據人們預定的安排,自動地進行資料的快速計算和加工處理。人們預定的安排是通過一連串指令(操作者的命令)來表達的,這個指令序列就稱為程式。一個指令規定計算機執行一個基本操作。一個程式規定計算機完成一個完整的任務。

一種計算機所能識別的一組不同指令的集合,稱為該種計算機的指令集合或指令系統。在微機的指令系統中,主要使用了單地址和二地址指令,其中,第1個位元組是操作碼,規定計算機要執行的基本操作,第2個位元組是運算元。

計算機指令包括以下型別:資料處理指令(加、減、乘、除等)、資料傳送指令、程式控制指令、狀態管理指令,整個記憶體被分成若干個儲存單元,每個儲存單元一般可存放8位二進位制數(位元組編址)。

每個在位單元可以存放資料或程式程式碼,為了能有效地存取該單元記憶體儲的內容,每個單元都給出了一個唯一的編號來標識,即地址。按照馮·諾依曼儲存程式的原理,計算機在執行程式時須先將要執行的相關程式和資料放入記憶體儲器中,在執行程式時CPU根據當前程式指標暫存器的內容取出指令並執行指令,然後再取出下一條指令並執行,如此迴圈下去直到程式結束指令時才停止執行。

其工作過程就是不斷地取指令和執行指令的過程,最後將計算的結果放入指令指定的儲存器地址中。計算機工作過程中所要涉及的計算機硬體部件有記憶體儲器、指令暫存器、指令譯碼器、計算器、控制器、運算器和輸入/輸出裝置等,在後續的內容中將會著重介紹。

硬體通常是指構成計算機的裝置實體。一臺計算機的硬體系統應由五個基本部分組成:運算器、控制器、儲存器、輸入和輸出裝置。

現代計算機還包括中央處理器和匯流排裝置。這五大部分通過系統匯流排完成指令所傳達的操作,當計算機在接受指令後,由控制器指揮,將資料從輸入裝置傳送到儲存器存放,再由控制器將需要參加運算的資料傳送到運算器,由運算器進行處理,處理後的結果由輸出裝置輸出。

中央處理器CPU(central processing unit)意為中央處理單元,又稱中央處理器。CPU由控制器、運算器和暫存器組成,通常集中在一塊晶片上,是計算機系統的核心裝置。計算機以CPU為中心,輸入和輸出裝置與儲存器之間的資料傳輸和處理都通過CPU來控制執行。微型計算機的中央處理器又稱為微處理器。

控制器是對輸入的指令進行分析,並統一控制計算機的各個部件完成一定任務的部件。它一般由指令暫存器、狀態暫存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。

計算機的工作方式是執行程式,程式就是為完成某一任務所編制的特定指令序列,各種指令操作按一定的時間關係有序安排,控制器產生各種最基本的不可再分的微操作的命令訊號,即微命令,以指揮整個計算機有條不紊地工作。

當計算機執行程式時,控制器首先從指令暫存器中取得指令的地址,並將下一條指令的地址存入指令暫存器中,然後從儲存器中取出指令,由指令譯碼器對指令進行譯碼後產生控制訊號,用以驅動相應的硬體完成指令操作。

簡言之,控制器就是協調指揮計算機各部件工作的元件,它的基本任務就是根據種類指紋的需要綜合有關的邏輯條件與時間條件產生相應的微命令。

運算器又稱積極態度邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)。運算器的主要任務是執行各種算術運算和邏輯運算。

算術運算是指各種數值運算,比如:加、減、乘、除等。邏輯運算是進行邏輯判斷的非數值運算,比如:與、或、非、比較、移位等。

計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的,根據指令規定的定址方式,運算器從儲存或暫存器中取得運算元,進行計算後,送回到指令所指定的暫存器中。運算器的核心部件是加法器和若干個暫存器,加法器用於運算,暫存器用於儲存參加運算的各種資料以及運算後的結果。

儲存器分為記憶體儲器(簡稱記憶體或主存)、外儲存器(簡稱外存或輔存)。外儲存器一般也可作為輸入/輸出裝置。計算機把要執行的程式和資料存入記憶體中,記憶體一般由半導體器構成。半導體儲存器可分為三大類:隨機儲存器、只讀儲存器、特殊儲存器。

RAM RAM是隨機存取儲存器(Random Access Memory),其特點是可以讀寫,存取任一單元所需的時間相同,通電時儲存器內的內容可以保持,斷電後,儲存的內容立即消失。RAM可分為動態(Dynamic RAM)和靜態(Static RAM)兩大類。

所謂動態隨機儲存器DRAM是用MOS電路和電容來作儲存元件的。由於電容會放電,所以需要定時充電以維持儲存內容的正確,例如互隔2ms重新整理一次,因此稱這為動態儲存器。所謂靜態隨機儲存器SRAM是用雙極型電路或MOS電路的觸發器來作儲存元件的,它沒有電容放電造成的重新整理問題。只要有電源正常供電,觸發器就能穩定地儲存資料。

DRAM的特點是整合密度高,主要用於大容量儲存器。SRAM的特點是存取速度快,主要用於調整緩衝儲存器。 ROM ROM是隻讀儲存器(Read Only Memory),它只能讀出原有的內容,不能由使用者再寫入新內容。原來儲存的內容是由廠家一次性寫放的,並永久儲存下來。

ROM可分為可程式設計(Programmable)ROM、可擦除可程式設計(Erasable Programmable)ROM、電擦除可程式設計(Electrically Erasable Programmable)ROM。如,EPROM儲存的內容可以通過紫外光照射來擦除,這使它的內可以反覆更改。

特殊固態儲存器 包括電荷耦合儲存器、磁泡儲存器、電子束儲存器等,它們多用於特殊領域內的資訊儲存。 此外,描述內、外儲存容量的常用單位有: ①位/位元(bit):這是記憶體中最小的單位,二進位制數序列中的一個0或一個1就是一比位元,在電腦中,一個位元對應著一個電晶體。

②位元組(B、Byte):是計算機中最常用、最基本的存在單位。一個位元組等於8個位元,即1 Byte=8bit。 ③千位元組(KB、Kilo Byte):電腦的記憶體容量都很大,一般都是以千位元組作單位來表示。1KB=1024Byte。

注意事項

未完待續

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