1.3 計(jì)算機(jī)的基本工作原理

1946年6月美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼與同事在美國完成了《關(guān)于電子計(jì)算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》的研究報(bào)告，介紹了制造電子計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的新思想，提出了以二進(jìn)制代替十進(jìn)制、采用存儲(chǔ)程序工作方式、計(jì)算機(jī)由5大部件組成等基本思想，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。到目前為止，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍沿用這一結(jié)構(gòu)，稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。因此馮·諾依曼被人們譽(yù)為“計(jì)算機(jī)之父”。

1.3.1 馮·諾依曼的基本思想

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)描述如下。

1.采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令

二進(jìn)制數(shù)由兩個(gè)不同的符號(hào)“1”、“0”組合表示。數(shù)據(jù)和指令在代碼的外形上沒有區(qū)別，都是由“1”和“0”組成的代碼序列，只是各自約定的含義不同而已。采用二進(jìn)制便于電子器件的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算規(guī)則簡單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。二進(jìn)制的“1”、“0”正好與邏輯推理中的“真”、“假”相對(duì)應(yīng)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。數(shù)字技術(shù)就是用“1”和“0”來表示、處理、存儲(chǔ)、傳輸信息的技術(shù)，便于信息數(shù)字化。

2.存儲(chǔ)程序工作方式

存儲(chǔ)程序工作方式是馮·諾依曼思想的核心內(nèi)容。所謂存儲(chǔ)程序工作方式，就是將事先編制好的程序（包含指令和數(shù)據(jù)）存入內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)自動(dòng)、連續(xù)地從內(nèi)存中依次取出機(jī)器指令并解釋執(zhí)行（對(duì)內(nèi)存中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行一維線性編址，按照存儲(chǔ)單元地址存取指令，從內(nèi)存中逐條取出指令并且串行執(zhí)行），直至程序執(zhí)行結(jié)束。這也是計(jì)算機(jī)能夠高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

3.計(jì)算機(jī)由5大部件組成

計(jì)算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，使用總線將5大部件連接在一起，并且規(guī)定了5大部件的功能。

根據(jù)馮·諾依曼存儲(chǔ)程序的工作方式，在現(xiàn)實(shí)世界中的某一問題，只要可以提出解決該問題的相應(yīng)算法，并且編制出有效的計(jì)算程序，就可以在計(jì)算機(jī)中求解。但是現(xiàn)實(shí)世界中還有些問題找不到有效算法，對(duì)此計(jì)算機(jī)就顯得無能為力了。人們一直試圖突破馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的模式，使計(jì)算機(jī)具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想等能力，達(dá)到智能化，幫助人類開拓未知的領(lǐng)域和獲取新的知識(shí)。

1.3.2 計(jì)算機(jī)的工作過程

計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序是一個(gè)特定的指令序列，在計(jì)算機(jī)工作時(shí)，它告知計(jì)算機(jī)要做哪些事，按什么步驟去做。因此，人們事先將編制好的程序和原始數(shù)據(jù)，通過輸入設(shè)備存放在存儲(chǔ)器中，然后計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，并且分析指令，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)各部件完成指令所規(guī)定的操作，最終結(jié)果由輸出設(shè)備輸出。

再看一看人工求解問題的過程。對(duì)于一般的問題，通常先找到解決問題的方法，然后通過計(jì)算工具進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果記錄下來。通過這個(gè)過程可以看到，計(jì)算工具相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“運(yùn)算器”，將求解問題的題目記錄在紙上的“筆”相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“輸入設(shè)備”，“紙”相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“存儲(chǔ)器”，將計(jì)算結(jié)果記錄在紙上的“筆”又相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“輸出設(shè)備”，而思考解決問題方法的大腦相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“控制器”。

例如，計(jì)算y＝a＋b（設(shè)a、b為已知的兩個(gè)數(shù)，y用來存放運(yùn)算結(jié)果），程序員首先將該問題分解成若干步驟，再編寫出程序。分解步驟如下：

第1步：取出a；

第2步：取出b；

第3步：執(zhí)行a＋b；

第4步：將運(yùn)算結(jié)果送y；

第5步：結(jié)束。

將上述1～5步分別用機(jī)器指令來描述，再將指令按照一定的順序排列起來就是程序。

1.3.3 計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)

1.機(jī)器字長

機(jī)器字長是指CPU一次能夠處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度。機(jī)器字長越長，計(jì)算精度越高。機(jī)器的字長也會(huì)影響機(jī)器的運(yùn)算速度。倘若CPU字長較短，又要運(yùn)算位數(shù)較多的數(shù)據(jù)，那么需要經(jīng)過兩次或多次的運(yùn)算才能完成，這樣勢必影響整機(jī)的運(yùn)行速度。機(jī)器字長還決定了寄存器、運(yùn)算器和數(shù)據(jù)總線等部件的位數(shù)，因此它直接影響到硬件的價(jià)格。為了協(xié)調(diào)計(jì)算精度與機(jī)器價(jià)格之間的關(guān)系，往往采用變長的方法以適應(yīng)不同需要，許多計(jì)算機(jī)允許半字長、雙字長等可變字長的運(yùn)算?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的機(jī)器字長一般都是8位的整數(shù)倍，如16位、32位、64位和128位等，即字長由2字節(jié)、4字節(jié)、8字節(jié)或16字節(jié)組成，所以也可用“字節(jié)”來表示機(jī)器字長。

2.內(nèi)存容量

內(nèi)存的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)之和被稱為內(nèi)存容量，而存儲(chǔ)單元的編址方法可以以“字（Word）”為單位，也可以以“字節(jié)（Byte）”為單位。一般情況下，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量是以“字節(jié)”為單位進(jìn)行編址的。如果存儲(chǔ)單元的地址碼用16位二進(jìn)制表示，那么其內(nèi)存容量為216B，習(xí)慣上將210＝1024稱為1K，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB＝1024GB，因而216B是64KB。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量越大，所存儲(chǔ)的信息就越多，處理問題的能力就越強(qiáng)。

3.運(yùn)算速度

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與許多因素有關(guān)，如計(jì)算機(jī)的主頻、執(zhí)行什么操作、內(nèi)存的工作速度等。計(jì)算機(jī)執(zhí)行不同的機(jī)器指令需要不同的時(shí)間，通常用執(zhí)行各種指令的平均時(shí)間來描述運(yùn)算速度，現(xiàn)在一般采用MIPS（Million Instruction Per Second）作為運(yùn)算速度的計(jì)量單位，其含義是每秒執(zhí)行100萬條指令，10MIPS就是每秒執(zhí)行1000萬條指令。對(duì)于相同類型的計(jì)算機(jī)，可以用CPU的時(shí)鐘頻率來比較它們的運(yùn)算速度，頻率越高，執(zhí)行每個(gè)操作的時(shí)間越短，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度就越高。

4.外圍設(shè)備的配置

指在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)上允許配置外部設(shè)備的最大數(shù)量，以及外圍設(shè)備的常規(guī)配置及可擴(kuò)充配置的情況。

5.系統(tǒng)軟件的配置

指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許配置的系統(tǒng)軟件種類，例如操作系統(tǒng)的功能及其系統(tǒng)的支撐軟件、高級(jí)語言的種類和必要的應(yīng)用軟件等。

6.性能價(jià)格比

這是衡量計(jì)算機(jī)性能的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。因?yàn)榧纫紤]計(jì)算機(jī)的性能（如計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、外設(shè)配置、軟件種類等），又要考慮計(jì)算機(jī)的價(jià)格，性價(jià)比的值大，表明計(jì)算機(jī)的性能好而價(jià)格低。每一個(gè)用戶都希望性價(jià)比大。

7.可靠性、可用性和可維修性

可靠性、可用性和可維修性也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。可靠性用故障平均間隔時(shí)間來衡量，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有效使用時(shí)間/故障次數(shù)；可用性是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有效使用時(shí)間/（有效使用時(shí)間＋故障修復(fù)時(shí)間）；可維修性用故障修復(fù)的平均時(shí)間來衡量。