1.3 計算機系統工作原理和組成

1.3.1 計算機的工作原理

著名的美籍匈牙利數學家馮·諾依曼在總結前人研究的基礎上，于1946年提出了“存儲程序式計算機”方案，從而使計算機實現了自動化。存儲程序的工作原理是：在計算機中設置存儲器，將程序和數據存放到存儲器中，計算機按照程序指定的邏輯順序依次取出存儲器中的內容進行處理，直到得出結果。

由此可見，要利用計算機來處理某些問題時，首先要制訂該項任務的解決方案，再將其分解成計算機能夠識別并可以執行的基本操作指令，這些指令按一定的順序排列起來，就組成了程序（Program）。計算機按照程序規定的流程依次執行存放在存儲器中的一系列指令，最終完成程序所要實現的目標。

所謂指令（Instruction）是指計算機完成某一種操作的命令。一條指令就是計算機機器語言的一個語句，它一般包括操作碼和地址碼兩部分，如圖1.1所示。操作碼（OP，Operation Code）用來表征一條指令的操作特性和功能，即指出進行什么操作；地址碼（AC，Address Code）規定操作數的值或地址、操作結果的地址及下一條指令的地址等。地址碼部分的地址可能不止一個，也可能沒有。

一條指令的執行過程一般可分為取指令（Fetch）、分析指令（Decode）、執行指令（Execute）3個階段。一系列指令的執行過程實際上就是在不斷重復上述3個階段的過程，如圖1.2所示。

一臺計算機所能識別并執行的全部指令的集合叫做這臺計算機的指令系統。指令系統與計算機的硬件系統密切相關，它是根據計算機使用要求設計的，一旦確定了指令系統，硬件上就必須保證指令系統的實現，因此，指令系統是設計一臺計算機的基礎，它決定了計算機硬件的主要性能和基本功能。一臺計算機的指令系統按其功能可以分成以下5類。

① 數據傳送類指令：主要用于向寄存器、存儲器傳送數據。

② 數據處理類指令：主要完成算術運算和邏輯運算等。

③ 程序控制類指令：主要用于控制程序的執行方向。

④ 輸入與輸出類指令：主要用于實現主機與外部設備之間的信息交換。

⑤ CPU控制和調試指令：主要用于實現系統的控制。

“存儲程序工作原理”是當代計算機結構設計的基礎，它使計算機的自動運算成為可能，是計算機與所有其他手算工具的根本區別。雖然計算機技術發展很快，但“存儲程序工作原理”至今仍然是所有計算機都采用的基本工作原理。因此，人們把現代電子計算機叫作馮·諾依曼式計算機。

1.3.2 計算機系統組成

計算機系統（Computer System）是由計算機硬件系統和計算機軟件系統兩部分組成的。計算機硬件系統（Hardware System）也稱硬設備，是指由電子線路、元器件和機械部件等構成的具體裝置，是看得見、摸得著的實體，是計算機系統的物質基礎。計算機軟件系統（Software System）是指在計算機中運行的程序及其使用的數據和相應文檔的集合，是看不見、摸不著的，但可以感覺到它的存在，它是發揮計算機硬件功能的關鍵。硬件是軟件建立和依托的基礎，軟件是計算機系統的靈魂。沒有配置任何軟件的計算機叫裸機（Bare Machine），在裸機上只能運行機器語言源程序。它不能供用戶直接使用，也無法實現其自身的價值。而沒有硬件對軟件的支持，軟件的功能就得不到體現。因此，硬件和軟件是相輔相成、缺一不可的，硬件和軟件相結合才能充分發揮計算機系統的功能。

用戶與計算機軟件系統和硬件系統的層次關系如圖1.3所示。其中內核是硬件系統，是進行信息處理的實際物理裝置，最外層是使用計算機的人，即用戶。用戶與硬件系統之間的接口界面是軟件系統。當然，在計算機系統中硬件與軟件的分界線有時也會發生變化。

1．計算機硬件系統

依照存儲程序的工作原理，計算機的工作方式應該有兩個基本能力：一是能夠存儲程序和數據，二是能夠自動地執行程序。于是，計算機中必須有一個存儲器，用來存儲程序與數據；有一個計算器，用以執行指定的操作；有一個控制部件，以便實現自動操作；還要有輸入部件和輸出部件，以便輸入原始數據、程序和輸出計算結果。

由此可見，計算機的硬件系統一般由5個基本功能部件組合而成，即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備，如圖1.4所示。

其中，運算器（Arithmetic Unit）是計算機中執行各種算術運算和邏輯運算的部件，也叫算術邏輯部件（ALU，Arithmetic Logic Unit）；控制器（Control Unit）是計算機的神經中樞和指揮中心，是指揮整個計算機各功能部件協調一致動作的部件；存儲器（Memory）是計算機中具有記憶功能的部件，用于存儲程序和數據，分為主存儲器和輔助存儲器；輸入設備（Input Device）是用于將程序和數據輸入到計算機中的設備，如鍵盤、鼠標等；輸出設備（Output Device）是用來將計算機處理的結果進行表示的設備，如顯示器、打印機等。

通常將運算器和控制器合起來稱為中央處理器（CPU，Central Process Unit），CPU是計算機硬件的核心部件，計算機的性能主要取決于CPU。

2．計算機軟件系統

軟件是各種程序及其文檔的總稱。軟件使用戶不用直接面對機器，也可以不必了解計算機本身的內部構造，即可方便有效地使用計算機。也可以說，軟件是用戶與機器的接口。軟件一般分為系統軟件和應用軟件兩類。

（1）系統軟件

系統軟件是指維持計算機系統正常運行和支持用戶運行應用軟件的基礎軟件，包括操作系統、語言處理程序、編輯程序與連接裝配程序、調試程序、測試程序、診斷程序、監控程序等。

（2）應用軟件

應用軟件是指用戶為了解決各種實際問題而開發和研制的軟件，它在系統軟件的支持下運行。由于計算機已滲透到了各個領域，因此應用軟件是多種多樣的。目前，常見的應用軟件有：文字處理、電子表格、課件制作、圖形及圖像處理、網絡通信等軟件（如Word、Excel、PowerPoint、Photoshop、E-mail等），以及游戲軟件和其他用戶程序（如工資管理程序、人事管理程序、財務管理程序等）。