计算机的结构与组成

随着科技的发展,计算机进入了各行各业。发展到如今,人们的工作和生活已经离不开计算机。


PC计算机的模型

关于计算机,特别是它的结构与组成,有很多地方值得我们去探索一番。

早在1945年,数学家冯·诺依曼(Von Neumann)和他的同事们在共同讨论的基础上,起草了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”,即EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer),这个方案对计算机的设计有决定性的影响,特别是确定计算机的结构。


冯·诺依曼

冯·诺依曼在研究EDVAC的时候,提出了“存储程序”的概念。这个概念很重要,此后,以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机

冯·诺依曼机的特点可以归结为六点

①计算机由运算器存储器控制器输入设备输出设备五大部件组成;

②计算机的指令数据同等地位存放于存储器内,并可以按照地址寻访

③指令和数据用二进制数表示;

④指令由操作码地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置;

⑤指令在存储器内按顺序存放。(一般,指令是按顺序执行,特定情况下,指令可以根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。)

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通过运算器完成。

一个典型的冯·诺依曼计算机,是以运算器为中心的。


冯·诺依曼计算机的结构图



不同于冯·诺依曼计算机,我们在现代使用的计算机已经转化为以存储器为中心的整体结构,但各类部件依旧同于冯·诺依曼机。


现代计算机的结构图

可以看出,现代计算机的部件组成和冯·诺依曼计算机的相同,可以这样讲,计算机结构就是由冯·诺依曼奠定的。

以存储器为核心的现代计算机,由五大部件组成,也叫作五大子系统,每一部件(子系统)都有自己相应的功能。

运算器,用来完成算术运算逻辑运算,并将运算的中间结果暂存在运算器内。

存储器,用来存放数据和程序。

控制器,用来控制指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。

输入设备,用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式。(常用的有键盘、鼠标。)

输出设备,可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。(打印机输出、显示器输出等。)

计算机的五大部件(五大子系统)在控制器的统一指挥下,完成自动工作。

自二十世纪五六十年代以来,随着大规模集成电路制作工艺的出现,并且计算机的部件运算器控制器逻辑关系电路结构上联系十分紧密,两大部件被集成在同一芯片上,这类芯片就是我们常说的CPU(Central Processing Unit),即中央处理器

CPU的核心部件由两个单元组成。一个是算术逻辑单元(ALU,Arithmetic Logic Unit),简称算逻部件,用来完成算术逻辑运算。另一个是控制单元(CU,Control Unit),用来解释存储器中的指令,并发出各种操作命令来执行指令

ALU和CU是CPU的核心部件。

计算的存储器,也被叫作主存储器(MM,Main Memory),用来存放程序和数据,可以直接与CPU交换信息。和主存储器相对应的是辅助存储器,简称辅存,又称外存

输入设备和输出设备也常被简称为I/O设备(Input/Output Equipment)

因此,现代计算机是由三大部分组成,CPU、I/O设备和主存储器


现代计算机的组成图



如图所示,CPU和主存储器一般都被统一叫作主机,I/O设备则被称为外部设备

我们在日常工作和生活中使用的计算机,其结构与组成,便是这样。

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