1.1 計算機的基本結構和工作原理

1.1.1 計算機的基本結構

第一臺電子數字計算機雖然是作為一種計算工具出現的，然而經過幾十年的發展，從構成器件上、性能的提升上和應用的發展上都出現了驚人的變化。但是，究其基本組成結構，萬變不離其宗，都可歸結于如圖1-1所示的基本結構，即計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5部分組成。

① 運算器：計算機對各種數據進行運算，對各種信息進行加工、處理的部件，它是數據運算、加工和處理的中心。

② 存儲器：計算機存放各種數據、信息和執行程序的部件，包括存放供運算、加工的原始數據，運算、加工的中間結果，運算加工的最終結果，以及指揮控制進行運算、加工的指令代碼。存儲器是存放數據的大倉庫，又分為主存儲器（又稱內存）和輔助存儲器（又稱外存）。

③ 輸入設備：給計算機輸入各種原始信息，包括數據、文字、聲音、圖像和程序，并將它們轉換成計算機能識別的二進制代碼存入存儲器中。因此，輸入設備是信息接收并進行轉換的裝置。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、手寫板及數碼相機等。

④ 輸出設備：將計算機中各種數據運算的結果，各種信息加工、處理的結果，以人們可識別的信息形式輸出。因此，輸出設備是信息輸出并進行轉換的裝置。常用的輸出設備有顯示器、打印機等。

輸入、輸出設備是人機交互的設備，統稱為外部設備，簡稱外設。

⑤ 控制器：計算機對以上各部件進行控制、指揮，以實現計算機運行過程自動化的部件。因此，控制器是計算機發布操作命令的控制中心和指揮系統。當然，這種控制和指揮是要由人們事先進行設計的，即人們需要事先把解題和處理的步驟（Program）根據設計要求，按先后順序排列起來，也就是編制成程序，由輸入設備送入存儲器中存放起來。經啟動計算機運行程序后，便由控制器控制、指揮各組成部件，自動完成全部處理過程，直至得到預定的計算結果，并轉換成可識別的信息。

1.1.2 計算機的工作原理

由圖1-1可見，計算機中有兩類信息在流動。一類是數據，用雙線表示，包括原始數據、中間結果、最終結果及程序的指令信息；另一類是控制命令，用單線表示。數據和控制命令都是用“0”和“1”表示的二進制信息。

現在，以21×12-117÷13這一簡單的算術運算為例，展示一下計算機的工作過程。

第一步：由輸入設備將事先編制好的解題步驟（即程序）和原始數據（21，12，117和13）輸入到存儲器指定編號的地方（或稱單元）存放起來，并在存儲器中劃出存放中間結果和最終結果的單元，如圖1-2所示。

第二步：啟動計算機，從第一條指令開始執行程序。計算機便在程序的控制下自動完成解題的全過程，包括：

（1）把第1個數據21從存儲器中取到運算器（取數操作）。

（2）把第2個數據12從存儲器中取到運算器，進行21×12運算，并得到中間結果252（乘法運算）。

（3）將運算器中的中間結果252送到存儲器中暫時存放（存數操作）。

（4）把第3個數據117從存儲器中取到運算器（取數操作）。

（5）把第4個數據13從存儲器中取到運算器，并進行117÷13的運算，運算器中得到中間結果9（除法運算）。

（6）將運算器中的中間結果9送到存儲器中暫時存放（存數操作）。

（7）將暫存的兩個中間結果先后取入運算器，進行252-9的運算，得到最終結果243，并存入存儲器中保存。

第三步：將最終結果243直接由運算器（或存儲器）經輸出設備輸出，如打印出來。

第四步：停機。

以上就是迄今為止，電子計算機共同遵循的計算機結構原理和程序存儲及程序控制的計算機工作原理。這種原理是1945年由馮·諾依曼（John Von Neumann）提出的，故又稱為馮·諾依曼型計算機原理。

圖1-1的五大基本組成部分是計算機的實體，統稱為計算機的硬件（Hardware）。包括解題步驟在內的各式各樣的程序稱為計算機的軟件（Software）。硬件中的運算器、控制器和存儲器稱為計算機系統的主機，其中運算器和控制器是計算機結構中的核心部分，又稱為中央處理器CPU（Central Processing Unit）。