1.2 计算机系统的基本构成

1.2.1 冯·诺依曼计算机

1.冯·诺依曼计算机的基本特征

尽管计算机经历了多次的更新换代，但到目前为止，其整体结构上仍属于冯·诺依曼计算机的发展，还保持着冯·诺依曼计算机的基本特征。

①采用二进制数表示程序和数据。

②能存储程序和数据，并能自动控制程序的执行。

③具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分，基本结构如图1.3所示。

原始的冯·诺依曼计算机结构以运算器为核心，在运算器周围连接着其他各个部件，经由连接导线在各部件之间传送着各种信息。这些信息可分为两大类：数据信息和控制信息（在图1.3中分别用实线和虚线表示）。数据信息包括数据、地址、指令等，数据信息可存放在存储器中；控制信息由控制器根据指令译码结果即时产生，并按一定的时间次序发送给各个部件，用以控制各部件的操作或接收各部件的反馈信号。

图1.3 计算机基本结构示意图

为了节约设备成本和提高运算可靠性，计算机中的各种信息均采用了二进制数的表示形式。在二进制数中，每位只有“0”和“1”两个状态，计数规则是“逢二进一”。例如，用此计数规则计算式子“1+1+1+1+1”可得到3位二进制数“101”，即十进制数的5（详见1.4节）。在计算机科学研究中把8位（bit）二进制数称为1个字节（Byte），简记为“B”，并把1024B称为1KB，把1024KB称为1MB，把1024MB称为1GB，把1024GB称为1TB等。若不加说明时，本书所写的“位”就是指二进制位。

2.冯·诺依曼计算机的基本部件和工作过程

在计算机的5大基本部件中，运算器（Arithmetic logic Unit，ALU）的主要功能是进行算术及逻辑运算，是计算机的核心部件，运算器每次能处理的最大的二进制数长度称为该计算机的字长（一般为8的整倍数）；控制器（Controller）是计算机的“神经中枢”，用于分析指令，根据指令要求产生各种协调各部件工作的控制信号；存储器（Memory）用来存放控制计算机工作过程的指令序列（程序）和数据（包括计算过程中的中间结果和最终结果）；输入设备（Input Equipment）用来输入程序和数据；输出设备（Output Equipment）用来输出计算结果，即将其显示或打印出来。

根据计算机工作过程中的关联程度和相对的物理安装位置，通常将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。表示CPU能力的主要技术指标有字长和主频。字长代表了每次操作能完成的任务量，主频则代表了在单位时间内能完成操作的次数。一般情况下，CPU的工作速度要远高于其他部件的工作速度，为了尽可能地发挥CPU的工作潜力，解决好运算速度和成本之间的矛盾，将存储器分为主存和辅存两部分。主存成本高，速度快，容量小，能直接和CPU交换信息，并安装于机器内部，也称其为内存；辅存成本低，速度慢，容量大，要通过接口电路经由主存才能和CPU交换信息，是特殊的外部设备，也称为外存。

计算机工作时，操作人员首先通过输入设备将程序和数据送入存储器中。启动运行后，计算机从存储器顺序取出指令，送往控制器进行分析并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号，最终的运算结果要送到输出设备输出。