文章目录
- 计算机硬件的基本组成
- 早期的冯·诺依曼机
- 冯·诺依曼结构
- 冯·诺依曼机的特点
- 现代计算机
- 现代计算机的结构
- 各硬件的工作原理
- 主存储器
- 主存储器的基本组成
- 运算器
- 运算器的基本组成
- 控制器
- 控制器的基本组成
- 计算机软件
计算机硬件的基本组成
早期的冯·诺依曼机
冯·诺依曼在研究 EDVAC 机时提出了“存储程序”的概念，“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机
“存储程序”的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束
冯·诺依曼结构
冯·诺依曼结构如下
在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的
即对于同一个功能，既可以用软件来实现也可以用硬件来实现，不过软件实现的成本更低效率也更低，相应的硬件实现的成本更高效率更高
eg. 对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算，也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现
冯·诺依曼机的特点
- 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成
- 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们
- 指令和数据均用二进制代码表示
- 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
- 采用“存储程序”的工作方式
- 以运算器为中心，输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成
现代计算机
由于传统的冯·诺依曼机都是以运算器为中心，数据的传输都需要通过运算器作为中转，而不能直接对存储器进行读写，这显然是低效的，现代计算机就采用以存储器为中心的结构解决这一问题
现代计算机的结构
CPU = 运算器 + 控制器，可以简化该结构如下
各硬件的工作原理
主存储器
存储器分为主存储器（又称内存储器）和辅助存储器（又称外存储器）
CPU 能够直接访问的存储器是主存储器，辅助存储器用千帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为 CPU 所访问
主存储器的基本组成
主存储器中用于存放数据的叫做存储体，存储体就是由一系列的存储元件构成，可以存放二进制
除了存储体之外还有两个重要的寄存器：MAR（存储地址寄存器）和 MDR（存储数据寄存器）
主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式
每个地址对应一个存储单元
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字(word)：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
MAR 用于指明需要访问的存储单元对应的地址，所以 MAR 位数反映存储单元的个数
从存储单元中取出的数据需要放入 MDR 中，所以 MDR 的位数 = 存储字长
运算器
运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算
算术运算是按算术运算规则进行的运符，如加、减、乘、除
逻辑运算包括与、或、非、异或、比较、移位等运算
运算器的基本组成
运算器的核心是算术逻辑单元（ALU）
控制器
控制器是计算机的指挥中心， 由其 “指挥“ 各部件自动协调地进行工作
控制器的基本组成
控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、 和控制单元（CU）组成
计算机软件
计算机软件就是指存储和运行在计算机硬件中的程序，因此程序和软件质量的好坏将大大影响计算机性能的发挥
一般将软件分成应用软件和系统软件两大类：
专门为数据处理、科学计算、事务管理、多媒体处理、工程设计以及过程控制等应用所编写的各类程序都称为应用软件
系统软件包括为有效、安全地使用和管理计算机以及为开发和运行应用软件而提供的各种软件，介于计算机硬件与应用软件之间，它与具体应用关系不大
【计算机组成原理】专栏的文章 均有参考 《王道计算机考研 计算机组成原理》课程视频
