Transcript 第3章
计算机导论 第3章 计算机系统结构 内容提要 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 概述 中央处理器﹙CPU) 存储系统 输入输出设备 计算机的基本工作原理 计算机导论 第3章 计算机系统结构 3.1 概述 通用图灵机为现代计算机的设计指明了方向。按照该 模型，计算机系统应该有存储器和中央处理器，存储器就相 当于图灵机的存储带，中央处理器相当于图灵机的读写头和 控制器。为了能将数据保存到存储器并将计算结果从存储器 送出来展示给用户，计算机系统还应该有输入设备和输出设 备。 现代电子计算机可以看作通用图灵机的一种实现形式， 它是冯·诺依曼根据通用图灵机模型和前人设计计算机器的实 践完成的。其基本结构如图示，从信息处理整个过程来说， 主存是信息交换的核心。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 （外）存储器 输入 设备 （内）存储器 运算器 控制器 中央处理器（CPU） 输出 设备 现 代 电 子 计 算 机 的 基 本 组 成 数据流 地 址 控制流 计算机导论 第3章 计算机系统结构 现代电子计算机的内存的主要部分就是随即存取的 RAM﹙Random Access Memory﹚，需要编址，每个单元有 一个惟一的地址，CPU的寄存器也有专门的名称。 现代电子计算机的指令系统中，一条指令一般由两部分 构成：一部分是操作码﹙Operating Code﹚，表明进行什么 操作；另一部分是操作数﹙Operand﹚，指明操作的对象， 一般来说是一个地址，该地址中保存待处理的数据。指定地 址的方法很多，不同的指定方式，对应不同的寻址方式 ﹙Addressing Mode﹚。 计算机的设计不仅要考虑计算功能的实现，同时，运行 效率即性能要尽可能的高，机器的造价要尽可能的低，但这 两个目标往往是一对矛盾，更多的情况下，要尽量地提高计 算机性能价格比。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 PC 指令是对计算机进行程序控制的最小单位。 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。 机器指令格式 操作码 操作数 机器执行什么操作 执行对象（具体数、存放位置） 程序是为完成一项特定任务而用某种语言 编写的一组指令序列。 +1 计算机导论 第3章 计算机系统结构 3.2 中央处理器﹙CPU) CPU的基本组成部分包括：一组称为“寄存器”的高速 存储单元；一个或几个执行基本算术逻辑动作的计算部件，称 为“算术逻辑单元”（ALU）；一个作为CPU控制中心的程 序控制单元，CPU 基本结构如图所示 ： 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑴ 程序控制单元是CPU的核心，当一条指令进入 CPU后，它分析检查该指令的内容，确定指令要求 完成的动作以及指令的有关参数。例如，如果是 一条加法指令，指明被加数在内存的某个地方。 程序控制单元要指挥内存把数据送到CPU来。 当计算所需要的数据准备好后，算术逻辑部件就 可以执行指令所要求的计算。计算完成后，程序 控制单元还要按照指令要求把计算结果存入数据 寄存器，或者存入内存储器中。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑵ CPU里必须包含算术逻辑单元，用来完成算术运算和逻 辑运算。许多CPU中还设置了两个运算单元，一个用来执 行整数运算和逻辑运算，另一个用于浮点数计算。浮点数 计算是CPU比较复杂的一部分，早期的计算机中需要用专 门的程序，即软件方法实现浮点数计算，完成一次浮点数 加法要执行许多指令，浮点数乘除法的指令更多，因而计 算时间很长。后来Intel公司为Intel 8088、Intel 8086芯片设 计制造了配套的专用浮点计算芯片，称为“协处理器”或 “浮 点处理器”。这种芯片可以安装在微型机里，与CPU连接。 当 CPU 发现要执行的是浮点数指令时，就把工作递交给协 处理器完成。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑶ CPU另一个重要部分是一组寄存器，其中包 括一个指令寄存器，用于存放从内存中取出、当前 执行的指令；若干个控制寄存器，是CPU在工作过 程中要用到的；若干个数据寄存器，是提供给程序 控制单元和算术逻辑部件在计算过程中临时存放数 据用的。一个数据寄存器能够存放的二进制数据位 数一般与 CPU 的字长是相等的。通用数据寄存器 个数对于CPU 的性能有很大影响。目前的 CPU 一 般设置十几个到几十个数据寄存器，有些CPU，如 采用 RISC 技术制造的CPU，设置了包含更多寄存 器的寄存器组。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 CPU性能 CPU性能的高低直接决定了一个微型机系统的档次， CPU性能主要是由以下几个主要因素决定的： ⑴ CPU执行指令的速度 即CPU每秒所能执行的指令的条数。早期用电子管元 件制作的 CPU，每秒针大约能执行数千条基本指令。而目 前的PentiumⅣ微处理器芯片每秒执行的指令数可达数亿条 之多。 CPU执行指令的速度与“系统时钟”有直接的关系。系 统 时钟不在CPU芯片内，是一个独立的部件，在计算机工作 过程中，系统时钟每隔一定的时间间隔发出脉冲式的电信 号，这种脉冲信号控制着各种系统部件的动作速度，使它 计算机导论 第3章 计算机系统结构 们能够协调同步就好像一个定时响铃的钟表，人们按照它的 铃声来安排作息时间一样。在一台计算机里，系统时钟的频 率是根据部件的性能决定的。如果系统时钟的频率太慢，则 不能发挥CPU等部件的能力，但如果太快而工作部件跟不上 它，又会出现数据传输和处理发生错误的现象。因此，CPU 能够适应的时钟频率，或者说CPU作为产品的标准工作频率， 即CPU在一秒钟内能够完成的工作周期数，就是一个很重要 的性能指标。CPU的标准工作频率就是人们常说的CPU“主 频”。CPU主频以MH（兆赫）为单位计算，1MH指每秒一 百 万次（脉冲）。显然，在其它因素相同的情况下，主频越快 的CPU速度越快。80年代初，IBM PC机上采用的Intel 8088 芯片的主频是4.78MH，而目前的PentiumⅣ微处理器的主频 计算机导论 第3章 计算机系统结构 已达到了300MHz以上。但是，CPU 芯片在速度上的优劣并 不完全取决于它的“主频”或者执行指令的速度，实际的 CPU 速度与芯片内部的体系结构以及CPU和外围电路的配合等都 有密切的关系。 ⑵ CPU 的“字长” 即CPU一次所能处理的数据的二进制位数。如果一个 CPU的字长为 8 位，它每执行一条指令可以处理8位二进制 数据。如果要处理更多位数的数据，就需要执行多条指令。 显然，可同时处理的数据位数越多，CPU的档次就越高，从 而它的功能就越强，工作速度也越快，其内部结构也就越复 杂。因此，按CPU字长可将微型机分为８位、16位、32位和 64位等类型。通常，８位机和16位机是早期的微型机产品， 目前流行的主要是64位机。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑶ 指令本身的处理能力 早期CPU只包含一些功能比较弱的基本指令，例如，从 算术指令看，可能只包含最基本的整数加减法和乘法指令， 而整数除法运算就要由许多条指令组成的程序来完成；对浮 点数的计算需要执行由更多基本指令组成的程序。随着制造 技术的进步，后来的CPU在基本指令集里提供了很多复杂运 算的指令，这样一条指令能够完成的工作增加了，指令的种 类增加了，CPU的处理能力也就增强了。 当然，这种增加指令功能和种类的做法只是一种提高性 能的途径。在CPU芯片设计技术方面还有另一种重要的方向， 叫做RISC（Reduced Instruction Set Computers），即“精减 指 令系统”芯片技术，这种技术把过去复杂的指令系统最大限 计算机导论 第3章 计算机系统结构 度地简化成基本指令集，使指令系统非常简洁， 指令的执 行速度大大加快，也能够提高CPU芯片的速度。目前，有两 种高速芯片，Power-PC 芯片和Alpha芯片，都是采用RISC技 术生产的。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 3.3 存储系统 高速缓冲存储器﹙Cache﹚ 高速缓存是位于CPU和主存之间的高层存储子系 统。采用高速缓存的主要目的是提高存储器的平均 访问速度，从而使存储器的速度与CPU的速度相匹 配。 Cache通常由两部分组成，块表和快速存储器。 其工作原理是：处理器访问主存时，存储器地址的 高端部分通过主存—Cache地址映像机构借助查表 判定该地址的存储单元是否在Cache中，如果在， 计算机导论 第3章 计算机系统结构 则Cache命中，按Cache地址访问Cache，由Cache提供数据 给处理器。否则，Cache不命中，则需要访问主存，并从 主存中调入相应数据块到Cache中，若Cache中已写满，则 要按某种算法将Cache中的某一块替换去，并修改有关的 地址映像关系。Cache的管理涉及到了两个问题，定位问 题和替换问题。 Cache的存在对程序员和用户是透明的，即其地址变换 和数据块的替换算法均由硬件自动实现，程序员和用户都 感觉不到它的存在。现代电子计算机通常包含两极Cache， 一级Cache被集成到CPU内，访问速度最快，也叫内部Cache， 二级Cache在CPU外，所以也叫外部Cache。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 存储器用来存放计算机程序和数据，并根据微处理器的 控制指令将这些程序或数据提供给计算机使用。存储器一般 分为内存储器和外存储器。内存储器也称为主存（main emory）,它和微处理器一起构成了微型机的主机部分。内存 储器在一个计算机系统中起着非常重要的作用，它的工作速 度和存储容量对系统的整体性能、对系统所能解决的问题的 规模和效率都有很大的影响。 内 存 储 器 计算机导论 第3章 计算机系统结构 内存储器要存放成千上万个数据，因此，分成 一个个存储单元，每个单元存放一定位数的二进制 数据。现在的计算机内存多采用每个存储单元存储 一个字节（8位二进制代码）的结构模式。这样， 有多少个存储单元就能存储多少个字节。存储器容 量也常用多少字节来表示。 内存单元采用顺序的线性方式组织，所有单元 排成一队，排在最前面的单元定为0号单元，即其 “地址”（单元编号）为零。其余单元的地址顺序 排 列。由于地址的唯一性，它可以作为存储单元的标 计算机导论 第3章 计算机系统结构 识，对内存存储单元的使用都通过地址进行。内存 储器的地址码是用二进制表示的，如果地址码有10 位二进制位，则其地址码的可编码范围为： ０～２10-１（即1024），地址码有20位则为： ０～２20－１（１Ｍ）。 实际工作（书写）时，常用十六进制数和十进 制数来表示地址，例如地址111 1111 1111 1111 写成7FFFFFH 或8388608 。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 对于内存储器，除了容量以外，它的访问速度也是一 个重要的性能指标。内存速度用进行一次读或写操作所花 费的“访问时间”来描述。从工作速度上看，内存储器总 是 比 CPU要慢得多，从计算机问世之初直到现在，始终是计 算机信息流动的一个“瓶颈”。目前一次存储器“访问时 间”大 约为几个ns（纳秒，10亿分之一秒）之间，这个速度与CPU 的速度相比仍有较大差距。 目前的计算机内存一般都是由采用动态金属氧化物（动 态MOS）半导体技术制造的存储器芯片构造而成的。这种 技术集成度高，工艺较简单，成本较低。几毫米见方的存 储器芯片的存储容量可以达到16M、64M、甚至 256M 个二 进制位（bit）。但动态MOS存储芯片有一个存储“易失性” 计算机导论 第3章 计算机系统结构 的缺点，即所存储的信息只有在正常供电的情况下才能够 保持。一旦停止供电，其中的信息就立即消失。 由前面的讨论可知，内存是按照地址访问的，给出地 址即可以得到相应内存单元里的信息，CPU 可以随机地访 问任何内存单元的信息。而且，目前所采用的存储芯片的 访问时间与所访问的存储单元的的位置并没有什么关系， 完全是由芯片设计和生产技术以及芯片之间的互连技术所 决定的。这种访问时间不依赖所访问的地址的访问方式称 为“随机访问”（random access）方式，内存储器也因此 被 称为随机访问存储器（Random Access Memory，简写为 RAM）。通常，计算机内存中的大部分是由随机存储器 RAM组成的。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 除过RAM之外，内存储器中一般还有一定容量 的“只读存储器”（Read-only Momery，简写为 ROM）。ROM中的信息只能读出不能写入。计算 机断电后，ROM中的原有内容保持不变，在计算机 重新加电后，原有的内容仍可被读出。ROM一般地 用来存放一些固定的程序，习惯所说的“将程序固 化在ROM中”就是这个意思。应该记住，无论是 RAM还是ROM，都是内存储器的组成部分，每个 存储单元（字节）都有一个唯一的地址码与之对应。 通过给定地址码可随意访问该地址所指的单元。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 综上所述，对内存储器的要求主要有三点： 存取的速度快：存储器的速度应和微处理器相匹配。 如果存储器速度跟不上，会严重影响整个系统的性 能。 存储容量大：当使用计算机解决实际问题时，通常 要执行大量的指令，加工处理大量的数据。由这些 指令所组成的程序以及这些大量的数据都需要存储 在内存中。因此，一台微机需要有一定容量的内存 才能正常工作。 成本低：低成本才能有低价格，才能吸引更多的用 户，从而研发更高性能的存储器。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 CPU和内存之间的信息交换都是通过数据总线 和地址总线进行的。当CPU需要信息时，先要知道 该信息的存放位置，即存放信息的内存起始地址。 CPU读取信息时，把这个内存起始地址送入地址总 线并通过控制总线发出一个“读”信号。这些信号 送 到内存，内存中所指定的起始地址及其后的一串单 元中所存储的信息经过‘读出’被送到数据总线。 这 样，CPU 就可以由数据总线得到所需要的数据了。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 对内存写入的动作与此类似，CPU 把要求写入的 数据以及写入位置的开始地址分别送入数据总线和 地址总线，并在控制总线发一个“写”信号，数据 即 被写入指定内存单元。 由读写操作的过程可以看出内存访问速度的作 用：拿内存读操作来说，当 CPU 把地址信号送出后， 多长时间后才能从数据总线得到所需要的数据，这 一点是由内存访问速度决定的。如果内存访问速度 很慢，则CPU可能要花费许多时间等待数据，这样， 系统的效率就降低了。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ABUS 地 址 寄 存 器 MAR 地 址 译 码 和 驱 动 器 存 储 体 MB 读 / 写 放 大 电 路 读/写控制电路 主存储器的组成框图 数 据 寄 存 器 MDR DBUS 计算机导论 第3章 计算机系统结构 主存储器的基本组成及操作 主存储器存储直接与CPU交换的信息，目前， 都由半导体存储器所组成。主存储器是按“地址” 存入和读出数据的。至少由地址寄存器、地址译 码和驱动器、存储体、读／写放大电路、数据寄 存器及读／写控制电路等部件组成。 ＊存储体﹙MB：Memory Bank﹚ 。存储体由存储 单元﹙memory location﹚组成，每个单元包含若干 个存储元件﹙memory cell﹚,每个存储元件可存储 一位二进制﹙“1”或“0”﹚。每个存储单元有一个 编 号，称之存储单元的地址，简称“地址” 。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机的数据和指令是按地址存放在存储体的各个 存储单位中。通常一个存储单元由8个存储元件组 成，可存放一个字节﹙8位二进制数﹚的数据，存 储体所包含的存储单元总数称之存储器的容量。 ＊地址寄存器﹙MAR:Memory Address Register﹚。地址寄存器由若干个触发器组成， 用来存放访问存储器的地址﹙指令地址或操作数 地址﹚。地址寄存器的长度﹙即位数﹚应该与粗 初期的容量相匹配，如存储器的容量为4K，则地 址寄存器的长度至少为2i＝4K，即i＝12 。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 地址译码和驱动器。该部件实现对地址寄存 器所提供地址码进行译码，经驱动器的电流放 大“选中”某一存储单元。如地址寄存器所提供 的地址码为“0…0100”，则选中存储体的第4号 存储单元。 数据寄存器 ﹙MDR:Memory Data Register﹚ 。 数据寄存器由若干位触发器组成，用来暂存从 存储单元读出的数据﹙或指令﹚，或暂存从数 据总线来的即将写入存储单元的数据，显然， 数据寄存器的宽度﹙W﹚应该与存储单元的长度 计算机导论 第3章 计算机系统结构 相匹配，如存储单元的长度为一个字节，则数据 寄存器的位数应为8位。 读／写放大电路﹙read／write amplifier﹚ 。该 部件实现信息电平的转换，即将存储元件表示 “1”和“0”的电平转换为数据寄存器中触发器所 需要的电平，反之亦然。 读 ／ 写 控 制 电 路 ﹙read ／ write control circuit﹚。该部件一般由逻辑门电路组成，它 根据计算机的控制器发来的“存储器读／写”信 RD WE 号﹙ ／ ﹚发出实现存储器读或 计算机导论 第3章 计算机系统结构 写操作的控制信号。片选信号﹙CS：Chip Select﹚是由若干位地址码经译码而形成，当＝ 0﹙低电位有效﹚时，该存储器芯片工作；否则， 该芯片不工作。 基于上面的说明，我们可以解释存储器的工 作原理，即存储器如何实现读操作﹙取数﹚和写 操作﹙存数﹚的？通常，我们把这两种操作称之 为对存储器的“访问”。当对某一存储器芯片进行 访问时，该芯片应处于工作状态，故必须先选中 该芯片﹙ CS ＝0﹚。下面结合图说明读操作和写操 计算机导论 第3章 计算机系统结构 作的过程。 ⑴读操作过程 送地址：控制器通过地址总线﹙ABUS﹚将指令地址或操作 数地址送入地址寄存器﹙MAR﹚。 发读命令：控制器通过控制总线﹙CBUS﹚将“存储器”读信 号﹙RD ＝0﹚送入读／写控制电路。 从存储器读出数据：读／写控制电路根据读信号有效﹙RD ＝ 0﹚和片选信号有效﹙CS ＝0﹚，向存储器内部发出 “读出” 控制信号，在该信号的作用下，地址寄存器中的地址码经地 址译码器的译码，选中并驱动存储体中的某一存储单元，从 该单元的全部存储元件中读出数据，经读／写放大器放大， 计算机导论 第3章 计算机系统结构 送入数据寄存器。再经数据总线﹙DBUS﹚将读出的数据 入控制器﹙若读出的数据是指令﹚或运算器﹙若读出的 数据是操作数﹚。至此，读操作过程结束。 ⑵读操作过程 送地址：同读操作，从略。 送数据：将要写入存储体的数据由运算器﹙如运算结果 ﹚或输入设备﹙如输入程序或数据﹚经数据总线 ﹙DBUS﹚送入数据寄存器。 将数据写入存储器：读／写控制电路根据写信号有效﹙ WE ＝0﹚和片选信号有效﹙CS ＝0﹚，向存储器内部发出 “写入”控制信号。在该信号的作用下，地址寄存器中的 地址码经译码，选中存储体中的某一存储单元，与此同 计算机导论 第3章 计算机系统结构 时，将数据寄存器中的数据经写入电路，写入到被选中 的存储单元中。至此，写操作过程结束。 CPU和外存储器以及输入／输出设备之间不能直接 交换数据，而必须通过称之为设备“接口”的器件来转 接。 设备“接口”中有一组称之为输入输出端口的寄存器， 包括存放数据的寄存器、存放地址的寄存器和存放设备状态 的寄存器，分别称为数据端口、地址端口和状态端口。CPU 对设备（外存储器、输入／输出设备）的访问是通过输入／ 输出端口来进行的。输入／输出端口也有编号，其编号叫做 输入／输出地址（I/O地址）。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 与访问内存一样，当CPU 需要与设备交换数据时，也 要先知道地址（I/O地址），即能够在CPU和设备之间传递 信息的端口号。CPU 读取信息时，把这个I/O地址送入地址 总线并通过控制总线发出一个“读”信号。这些信号分别 送到 接口中的各个端口，由端口再发出信号启动要访问的设备， 则设备，CPU 把要求写入的数据以及写入位置的I/O地址分 别送入数据总线和地址总线，并在控制总线发一个“写” 信号， 数据即被写到指定设备上。存储的信息经过‘读出’被送 到数 据总线。这样，CPU 就可以由数据总线得到所需要的数据 了。对设备写入的动作与此类似。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 1．总线的功能 从表面上看，CPU的外部有许多 输入、输出引脚，例如，Intel80486有64个引脚。 CPU就是通过这些引脚来和其它部件互相传送信息 的。因此，总线及其信号至少应该执行以下功能： 和存储器之间交换信息； 和输入／输出设备之间交换信息； 为了系统工作而接收和输出必要的信号，如输入时 钟脉冲信号（规定计算机工作的节拍）、复位信号、 电源和接地等。 实际上，总线由许多条并行的电路组成，这些 电路分为三组： 计算机导论 第3章 计算机系统结构 数据总线：用于在各部件之间传递数据（包括指令、数据 等）。数据的传送是双向的，因而数据总线为双向总线。 地址总线：指示欲传数据的来源地址或目的地址。地址即 存储器单元号或输入／输出端口的编号。 控制总线：用于在各部件之间传递各种控制信息。有的是 微处理器到存储器或外设接口的控制信号，如复位、存储器 请求、输入／输出请求、读信号、写信号等，有的是外设到 微处理器的信号，如等待信号、中断请求信号等。 由于计算机的各个部件都连接在总线上，都需要传递信 息，总线需要解决非常复杂的管理问题，因而总线实际上也 是复杂的器件。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 辅助存储器 软盘的存储介质是一个封装起来的涂附着磁性材料的 塑料圆盘片。目前常用的软盘是3.5英寸（简称３寸）的，存 储容量是1.44MB。还有一种ZIP盘，实际上是一种更大容量 的软磁盘，每张盘片的存储容量可达100以上MB。 软盘从外观上看，是一片放在护套内的圆形薄膜，在护 套上开有一些孔洞，其中一个沿半径方向的长形孔称为读写 窗口，读写磁头就是通过它接触盘片来进行读写操作的。 软盘要装入软盘驱动器里才能读出或写入信息。在计算 机机箱前部装有软盘驱动器，其中有两个固定在一起的读写 磁头分别用来在软盘的两个表面上读出或写入信息。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 软 磁 盘 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 使用软盘时，把它插入驱动器的插口内。驱动器内 的磁头先沿盘片径向运动找到相应的磁道，然后盘片在护 套内高速旋转，磁头便依次从转到它底下的盘面上读出信 息或向其写入信息。不使用时，可把软盘从驱动器中抽出。 这样便于携带，也便于完成不同计算机之间的信息交流。 磁盘将信息记录在一组称之为磁道的同心圆上。盘面上的 磁道顺序编号，最外面一个磁道编号为第0道，其余依次编 号。0道在磁盘上具有特殊用途，这个磁道的损坏将导致磁 盘报废。 磁盘还有一个“柱面”的概念，对软盘来说，正面（0 号 面）和反面（1号面）上编号相同的两个磁道称为一个柱面。 例如，正反两面上的两个0道构成了0柱面，两个1道构成了 计算机导论 第3章 计算机系统结构 1柱面，……。 为了有效地管理信息，磁盘的每个圆形磁 道又被划分成若干个称为扇区（sector）的弧段。对于标准 磁盘来说，任意一个扇区，不管处在哪个磁道上的哪个位 置，所存储的数据量都是相同的。在软盘上读写信息是以 扇区为单位成批进行的。可以设想，一次所要读写的全部 信息存放在多个连续（逻辑上的连续）的扇区之中，在实 际读写之前，先要把磁头定位在起始扇区上，这要通过两 步动作：第一步是通过机械动作把磁头移到起始扇区所在 的磁道位置（磁头定位），第二步是磁头静止而盘片旋转， 一直等到要读写的扇区旋转到磁头底下（扇区定位），找 到起始扇区之后，实际的读写操作才能开始。读写是一个 扇区一个扇区顺序进行的。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 实际上，软盘的一次读写过程真正花费在实际读写上 的时间只占一小部分，主要时间消耗在移动磁头来在盘面上 寻找磁道位置方面，因为这是机械动作。因此，在写入信息 时，如果一个磁道放不下，总是接着放入一个柱面的不同磁 道上，而不是放入同一盘面的相邻磁道上。这是因为，接通 固定在一起的另一个磁头的电子开关比将磁头移到相邻磁道 要快得多。 一个软盘的磁道总数、每个磁道的扇区数、每个扇区的 存储容量三者的乘积决定了软盘的存储容量。例如，一个3 寸盘的存储容量是 512×18×82×2≈1.44MB 。 软盘驱动器并不直接与主机连接而是通过驱动器接口板 来连接的，驱动器和主机是通过接口板来传送读写时所需的 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 控制信号、读写数据信号和检测信号的。驱动器接口板一般 可接两个或更多个驱动器。 还应该指出，在３"盘的护套上有一个带有活动滑块的 方形小孔,称为写保护孔,如果移动滑块露出小孔，则磁盘驱 动器就不能将数据写入该磁盘或改写盘上原有的数据而只能 读出数据，即保护盘上原有数据不被破坏。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 微机的硬磁盘（硬盘机）通常固定安装在微机机箱 内。大型机的硬磁盘则常有单独的机柜。硬磁盘是计 算机系统中最重要的一种外存储器。日前的计算机包 括微机在内一般都至少配备一台硬盘机，在硬盘里保 存着计算机系统工作必不可少的程序和重要数据。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 微机的硬磁盘（硬盘机）通常固定安装在微 机机箱内。大型机的硬磁盘则常有单独的机柜。 硬磁盘是计算机系统中最重要的一种外存储器。 日前的计算机包括微机在内一般都至少配备一台 硬盘机，在硬盘里保存着计算机系统工作必不可 少的程序和重要数据。 微机使用的小型硬盘机从外观上看是一个密 封的金属盒子，其中有若干片固定在同一个轴上、 同样大小、同时高速旋转的金属圆盘片。每个盘 片的两个表面都涂附了一层很薄的磁性材料，作 计算机导论 第3章 计算机系统结构 为存储信息的介质。靠近每个盘片的两个表面各 有一个读写磁头。这些磁头全部固定在一起，可 同时移到磁盘的某个磁道位置。 硬盘片表面也分为一个个同心圆磁道，每个 磁道又分为若干扇区，但一个硬盘片上的磁道数 和每个磁道上的扇区数都比软盘片多得多，再加 上一个硬盘是由多个盘片组成的，所以硬盘的存 储容量比软盘高得多。 按照盘片直径大小，硬盘也有许多规格。现 在的台式微机多采用3.5"硬盘机，笔记本型微机上 计算机导论 第3章 计算机系统结构 通常配置2.5"、1.8"甚至1.3"的微型硬盘机。工作站 等高性能机器用的硬盘机规格与微机类似，但一般 容量更大，性能也更优越。 跟软盘一样，硬盘的所有盘面上半径相同的磁 道也构成一个柱面，柱面由外向里顺序编号。 硬盘驱动器工作时盘片组高速旋转，速度可达 到7200转/min以上，此时读写磁头与对应盘片的距 离很近，不到一个微米（千分之一毫米），漂浮在 盘面上且不与盘面接触，以避免划伤盘面。这样近 的距离是为了保证极高的存储密度和定位精度。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 硬盘也采用批量存储信息方式，以扇区为存储 单位。扇区的“地址”可以通过磁道（柱面）号、 读 写头号（也就是盘面的编号）、以及磁道内的扇区 编号三者组合确定。访问硬盘信息的过程与访问软 盘一样，也分为移动磁头到相应柱面位置（磁头定 位）、等待（扇区定位）和实际读写三个阶段。而 确定存储位置（定位）的时间比实际读写信息的时 间要长得多。当然，由于硬盘的磁头动作速度快、 盘片转速高，它的信息访问速度也比软磁盘高得多。 将磁盘（硬盘和软盘）与主存进行比较，可知 计算机导论 第3章 计算机系统结构 它们的读写访问方式是完全不同的。对主存的访问 是以存储单元为单位进行的，而微机的一个存储单 元就是一个字节。对磁盘等设备的访问则采用成组 数据传送的方式，是以存储块（扇区）为单位进行 的，一个存储块可以包含几百到几千个字节，访问 磁盘上的某些信息时，必须将包含这些信息的存储 块的全部内容与主存进行整体交换。 这种成组数据交换工作通常由称为DMA部件 （Direct Memory Access，直接主存访问）的专门 硬件来自动完成。进行这种交换时，先要在主存里 计算机导论 第3章 计算机系统结构 准备若干个都与存储块同样大小的、称为内存缓 冲区（buffer）的存储区域。访问磁盘的过程是： 先确定要访问的磁盘存储块地址（位置），然后 在该存储块与主存的缓冲区之间交换信息。 与软 磁盘相同，硬磁盘也不能直接与主机相联，而是 通过电缆与一个叫做磁盘控制器的部件连接，磁 盘控制器直接连在计算机系统总线上。微机的磁 盘控制器一般是插在机箱内主机板的扩展槽口中 的插卡，现在不少微机主板上集成了磁盘控制器， 就不需插卡了。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 除磁盘之外，近年来计算机上还经常使用光盘 来作为外存储器，光盘具有比磁盘更大的容量，但 由于存取速度、价格等方面的原因，目前还不能代 替磁盘。 光盘存储器（简称“光盘”）是利用激光原理 存 储和读取信息的媒介。光盘片是由塑料覆盖的一层 铝薄膜，通过铝膜上极细微的凹坑记录信息。市场 上最常见的光盘是5"的只读光盘，称为CD-ROM。 这种光盘是由生产时一次性压制在铝膜上的凹坑形 式来记录信息的，因而是永久性的信息记录，只能 计算机导论 第3章 计算机系统结构 读出使用，不能重新写入。5"只读光盘的外观及制 作工艺与普通CD唱盘或VCD视盘完全一样，只是 光盘上记录信息的方式要满足计算机的标准而已。 一片普通5 " CD-ROM光盘可以存放650MB信 息。 CD-ROM驱动器大小与5"软盘驱动器相同，单 速光盘驱动器的信息读出速度为150KB/S，四倍速 光驱读出速度为600KB/秒。只读光盘是一种可以长 期保存信息的存储介质，现在许多商品软件和信息 资料都制成光盘销售。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 除CD-ROM光盘之外，还有一种一次性写入 （CD-Recordable）的光盘，实际上一种出厂时未 写入信息的空白光盘，一旦写入后，就不能再更 改其内容而只能读出了。用于保存不做修改的永 久性档案材料非常合适。还有一种可擦重写式 (CD-Erasable)光盘，就是可以多次写入的光盘。这 种光盘类似于磁盘，但需要特殊的驱动器，驱动 器和盘片的价格较高。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 磁带机也是一种外存储器。数据磁带存储信 息的方式与录音机磁带相仿，但记录的是二进制 形式的信息而不是模拟形式的信息。对磁带信息 的访问也是按扇区为单位进行的。磁带被沿着运 动方向划分为许多扇区，这些扇区顺序编号，信 息以块为单位存储在这些扇区里。磁带作为存储 介质的主要缺点是信息查找速度慢。当计算机要 访问磁带时，必须先向前或向后快速卷动磁带， 把要访问信息（块，扇区）的开始位置移到磁头 下面，这个过程称为磁带定位，定位完成后才能 计算机导论 第3章 计算机系统结构 进行正式的读写。所以磁带是一种适合顺序读写， 而不适合做那种需要反复前后查找后再读写的介 质。但它仍然不失为一种成本低廉的信息存储设 备，可以用于存储那些即时性要求不高的信息， 例如档案的存储等等。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 在一些用作控制的微型计算机里，由于对外存储器 的速度要求很高，常用一般的半导体存储器芯片来 组成外存储器，俗称“电子盘”。在大型计算中心， 也使用由低成本半导体集成电路存储器制造的容量 很大的存储柜作为计算机外存储器（固态外存储 器）。以达到更高的存储容量和存取速度。当然， 它们的价格是比较高的。 笔记本微机上常用一种与一般信用卡大小相当 但厚一些的存储插卡作外存储器。其中安装了一种 采用特殊半导体技术制造的器件，可以存储数兆或 计算机导论 第3章 计算机系统结构 更多信息。有些外形相同的存储卡里实际上安装了 一个小型硬盘。这种存储卡插入笔记本微机的标准 插口中，称为标准PCMCIA卡（Personal Computer Memory Card International Association）卡。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 典型的存储层次 计算机导论 第3章 计算机系统结构 主 显 机 示 箱 器 计算机导论 第3章 计算机系统结构 连 接 好 的 计 算 机 的 正 面 计算机导论 第3章 计算机系统结构 连 接 好 的 计 算 机 的 背 面 计算机导论 第3章 计算机系统结构 微型机的安装没有特殊要求，机器的硬件包括 主机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机等，一般 还要有一个直流稳压电源（如UPS---不间断供电电 源），在一般有电的地方就可以安装。 按照下列步骤安装PC机： 接键盘、鼠标器与主机：把键盘的和鼠标器的 ５芯插头分别插到主机背后的两个插座内。 接交流电源：应先把交流电电源插头插入主机 和背后的插座内，再把另一端插到交流电源插痤内。 要特别注意的是：交流电源的电压和主机插头上方 计算机导论 第3章 计算机系统结构 指示的电压应一致。 连显示器和打印机：先把数 据线接到主机背板的插座内，再接好电源线。 检查各部分是否正确连接，并开机测试。 安装时应注意下列问题： ①微机应安装在通风较好，附近无热源，空气 中灰尘少及较干燥又有一定湿度的地方。 ②最好装上UPS电源，一是可保护机器供电电 压稳定，二是当突然断电后，UPS电源内部蓄电池 有短暂的放电过程，有时间将正在工作的信息保存 起来。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 正确连线。微机系统基本配置中的两种连线：一种 是信息线，另一种是电源线。应对照连线图，参照 随机带的《用户手册》，将键盘的环绕线通过插头 接到主机上。打印机信息线和显示器的信息线应与 主机相连接，最后连接主机、显示器、打印机电源 线。 ↓接好保护地线。 电源线接好后，通电之前一定要检查各电源开 关是否处于关闭状态。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 3.4 输入输出设备 键盘是操作者在使用ＰＣ机过程中接触最频 繁的一种外部设备。用户编写的计算机程序、程 序运行过程中所需要的数据以及各种操作命令等 都是由键盘输入的。 键盘由一组按键排成的开关阵列组成。按下 一个键就产生一个相应的扫描码。不同位置的按 键对应不同的扫描码。键盘中的电路（实际上是 一个单片计算机）将扫描码送到主机，再由主机 将键盘扫描码转换成ASCII码。例如，如果按下左 上角的Esc键，主机则将它的扫描码01H转换成 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ASCII码00011011。 目前，微机上常用的键盘有101键、102键、 104键几种。键盘上的主要按键有两大类：一类称 为字符键，包括数字、英文字母、标点符号、空 格等；字母键区的键位排列如图所示。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 另一类称为控制键，包括一些特殊控制（如删除已 输入的字符等）键、功能键等。主键盘区键位的排 列与标准英文打字机一样。上面的F1-F12是12个功 能键，其功能是由软件或用户定义的。右边副键盘 区有数字键、光标控制键、加减乘除键和屏幕编辑 键等。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 鼠标器现在也已经成为微机上普遍配置的输入 设备。从外形看，鼠标器是一个可以握在手掌中的 小盒子，通过一条缆线与计算机连接，就像老鼠拖 着一条长尾巴。 较早的鼠标器是机械式的，它的基本结构分为 两部分：其一是位于顶部前端的两个或三个按键； 其二是位于底部的圆珠。输送信息的连线接到键盘， 或直接连到微机的输入输出端口。使用时把鼠标器 放在一个平坦的表面上，移动鼠标器时圆珠也转动， 同时把这种运动由光标体现在屏幕上，按下顶部的 计算机导论 第3章 计算机系统结构 按键，就可以向计算机发出执行输入方式选择及基 本编辑功能等各种命令。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 机械式鼠标器在操作时要给内部的圆珠施压。为 方便鼠标器的移动，要有足够大的平面，而且图形的 精确度受到限制。如果需要较高的分辨率或者较为稳 定的信号，可以采用光学鼠标器，这种鼠标器配有带 接头的电缆和一块塑料垫板。 鼠标器上有三个键或两个键，各个键的功能可以 由软件来任意规定，一般左键用得较多。现在多数鼠 标器都采用串行接口。直接插入RS-232口（在主机 箱后面板上留有一个插孔）即可，不需要任何其它外 部电路。通常鼠标器总是与键盘同时使用的。鼠标器 可以用多种插头与主机连接。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 使用鼠标器要有驱动程序（如MOUSE.COM）。 操作系统通过调用鼠标器驱动程序就可以得到鼠标 器的移动和按钮信息。由于鼠标器驱动程序要通过 显示接口板来控制光标在屏幕上的移动，因此鼠标 器驱动程序必须支持现有的显示接口板来保证它在 系统里正确工作。除了鼠标器以外，还可以见到许 多形式不同但功能类似的输入设备例如便携式计算 机上常装有一个称为“轨迹球”的小圆球，拨动这 个 小球就可以移动屏幕光标。其使用方法与鼠标器大 体相同。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 打印机的分类 打印机可按字符（图形、表格）印出的顺序 分为串行打印机（字符式打印机）、行式打印机 和页式打印机。串行打印机一次打印一个字符， 通过多次打印字符形成行和页，针式打印机就是 串行打印机；行式打印机一次并行地印出一行字 符，早期的所谓快速打印机（只适合于像英文这 样字符数较少的文字）多是这种打印机；页式打 印机每次输出一页，激光打印机就是一种页式打 印机。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 按照印字方式的不同，也可将打印机分为击打式打 印机和非击打式打印机两类。击打式打印机也叫机 械式打印机，其工作原理是通过机械动作打击浸有 印字油墨的色带，将印色转移到打印纸上，形成打 印效果，这也就是“打印机”这个名称的由来。非 击 打式打印机是利用其它化学、物理方式来打印的， 许多这类打印机的输出过程中并没有“打”的动作。 常见的非击打式打印机有喷墨打印机和激光打印机 等。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 字符打印机 其工作原理与机械式英文打字机类似。打印机 中有一组或多组用金属材料或其它硬质材料刻成的 字符模型（字模）。当需要输出一个字符时，打印 机把相应字模移到纸的对应位置，然后启动击锤隔 着色带撞击纸张，字符就被印在纸上。字符（击打 式）打印机按照结构又分为字符式打印机和行式打 印机两种。 字符打印机的主要缺点是只能打印固定数目的 字符，无法打印汉字和图形。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 点阵式打印机是通过安装在打印头上的数根 “打印针”打击色带产生打印效果的，因此也称 为 针式打印机。常见的有9针单排排列的（称为 9 针打印机）和24针双排错落排列的（24针打印机） 两种。打印头中的电磁装置按照要打印字符的点 阵，分别驱动不同位置上的打印针，每个打印针 打击色带一次在纸上印出一个小墨点。 几根针同时出击便可印出字样的一列，然后， 打印头前移再打下一列，......，打好一个字符后， 打印头前移再打下一个字符。一行打印完成后， 计算机导论 第3章 计算机系统结构 打印机移动纸张，将纸张下一行移到与打印头对 应的位置，继续打印。用这种方法可以在纸张上 打印出由小墨点组成的任何输出形式的文字和图 形。有些点阵式打印机允许安装多条不同颜色的 色带，就可以进行彩色输出了。它的缺点是打印 速度较慢。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 喷墨印字机在印字方式上与点阵打印机相似， 但印在纸上的墨点是通过打印头上的许多（数十到 数百个）小喷孔喷出的墨水形成的。与点阵式打印 机的打印针相比，这些喷孔直径很小，数量更多。 微小墨滴的喷射由压力、热力或者静电方式驱动。 由于没有击打，故在工作过程中几乎没有声音， 而且打印纸也不受机械压力，打印效果较好，在打 印图形、图像时（与点阵打印机相比）效果更为明 显。 有些喷墨印字机可以把三四种不同颜色的墨水 混合喷射，印出彩色文字或图形。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 激光印字机是用电子照相方式记录图像，通过 静电吸附墨粉后在纸张上印字的。它的基本原理与 静电复印机类似。它用接收到的信号来调制激光束， 使其照射到一个具有正电位的感光鼓（硒鼓）上， 被激光照射的部位转变为负电位，能吸附墨粉。激 光束扫描使硒鼓上形成了所需要的结果影像。在硒 鼓吸附到墨粉后，再通过压力和加热把影象转移到 输出在一页打印纸上。由此可见，激光印字机的输 出是按页进行的。由于激光束极细，能够在硒鼓上 计算机导论 第3章 计算机系统结构 产生非常精细的效果，所以激光印字机的输出质量 很高。可以超过以前铅字印刷的水平。由于激光印 字机输出速度快、印字质量高，而且可以使用普 通纸，因而是理想的输出设备。激光印字机的主要 缺点是耗电量大，墨粉价格较贵，因此运行费用较 高。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 打印机的输出过程 下面以点阵式打印机为例，说明打印机的输出过程： 英文字符的打印方式比较简单（其它西文字符类似），打印 机控制器中一般都有一个叫做“字符发生器”的小规模 ROM 存储器，其中存储着基本字符（如 ASCII 字符集）的点阵信 息，打印机接到计算机送来的字符编码后，按编码到字符发 生器中取出字符的点阵信息，自动控制打印针据此输出字符。 如果需要打印的是图形，打印过程要复杂得多。实际 上点阵打印机每个打印针的动作都可以单独控制，只要通过 专门软件产生打印机的控制命令，就可以打印各种图形。打 印图形时，计算机首先准备好要打印输出的行或整个页面， 计算机导论 第3章 计算机系统结构 然后逐行地向打印机发送控制打印针击打的信号，打印机 则把这些信号变为打印针的动作。 早期的汉字打印方式与图形打印方式相同，后来，大部 分能打印汉字的打印机也将国标字符集里的所有汉字的点 阵预先存储在类似于英文字符发生器的“汉字库”里，打 印时， 计算机只要将所印汉字的国标码发送到打印机，打印机即 可按编码到字库中取出字的点阵信息，自动控制打印针输 出汉字。 在计算机系统里有专门控制打印机工作的“打印机驱 动 程序”。如果计算机上配备的打印机，不光是用于输出字 符， 就需要安装相应的设备驱动程序。通常购买打印机时都可 计算机导论 第3章 计算机系统结构 打印机的性能指标和使用 了解打印机的性能指标对于正确选择和使用打印机是很 重要的。打印机的主要性能指标有以下几个方面： 其一是打印的分辨率和打印幅面宽度：点阵打印机常见的打 印分辨率为每英寸180个点或300个点，记做180 dpi（dot per inch）或300 dpi，幅宽为80字符或132字符；常用的小型激 光印字机、喷墨印字机的分辨率为每英寸300点到600点，打 印幅面一般为标准A4型号（210mm）(297mm）的标准纸张。 有些高级的打印机还允许切换使用多种幅面规格和不同材料 质量的打印媒质。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 其二是打印速度：点阵打印机速度以每秒打印的字符数 计，一般每秒钟300个字符左右，记作300 cps（character per second ）。激光打印机则以页数计算，每分钟输出几页到 十几页，记为多少ppm（page per minute）。 打印机通常通过电缆与计算机连接。可以接在并行接 口上，以适应在计算机和打印机间的高速通信，也可以接 在串行接口上。一般打印机在连接好之后就可以打印基本 字符文本，点阵打印机通常可以打印出几种不同字体，允 许用户选择，有些打印机支持多种不同的打印方式，例如 可以“双向打印”，即以一种比较粗糙的方式打印，以便 打得 快一些。这些都可以通过打印机面板上的按键进行设置。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 图输入输出设备 1、图形数字化仪 是一种常见的图形输入设备，由一块较大的平 板和一个类似于鼠标器的手持“游标器”组成。把 游 标器上的准星（十字交叉点）在平板上移动，依次 采集准星的坐标位置（X，Y）就是一串输入数据。 在这种平板上铺上各种图纸，拿着游标器，对准图 纸上的每个点、线和区域边界不断地移动，所形成 的轨迹作为一连串的输入数据存储在计算机内并进 行处理。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑵ 图形扫描仪 是最常用的图像输入设备，其功能是把实在 的图像划分成成千上万个点，变成一个点阵图， 然后给每个点编码，得到它们的灰度值或者色彩 编码值。也就是说，把图像通过光电部件变换为 一个数字信息的阵列，使其可以存入计算机并进 行处理。通过扫描仪可以把整幅的图形或文字材 料，如图画、照片、报刊或书籍上的文章等，快 速地输入计算机。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑶绘图仪 是一种常见的图形输出设备，用于在纸张上绘 出由点和线段构成的图形，例如各种统计图、机械 设计图、房屋建筑图等。最常见的是笔式绘图仪， 装有一个可以纵向和横向（可以在Ｘ方向和Ｙ方向 上）运动的绘图头部件，称为绘图笔架，笔架上可 安装一支或几支各种颜色的绘图笔，在计算机的控 制下，绘图笔不停地抬起、落下，并在纸面上移动 划线，逐步画出所需要的图形。还可以根据计算机 的命令更换其它不同颜色的绘图笔。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 笔式绘图仪有平板式和滚筒式两种。平板式绘 图仪有一个放纸的大平面板和安装绘图笔架的活动 托架，托架可以沿平板两边的导轨来回纵向运动， 笔架则能沿托架上的导轨横向滑动，托架和笔架配 合就可以到达平板上的任何位置。滚筒式绘图仪上 笔架的托架是固定的，绘图纸紧紧地卷在一个滚筒 上，可以随滚筒在笔架下面纵向卷动。在绘图过程 中，笔架在托架导轨上横向移动，而滚筒带动绘 图纸在绘图笔下纵向滚动。滚筒式绘图仪占地面积 较小，能使用很长的纸张，大幅面纸张的绘图仪大 计算机导论 第3章 计算机系统结构 都是滚筒式。除笔式绘图仪之外，还有喷墨式、静 电式、热敏式等类型的绘图仪，其工作原理与喷墨 打印机类似，都是通过某些技术以点阵形式生成纸 面上的图。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑷ 数据投影器 是近年来逐渐推广开来的一种重要的输出设备，它 能连接在计算机的显示器输出端口上，把应该在显示器上 显示出来的内容投射到大屏幕甚至一面墙壁上，非常适合 于课堂教学以及其它演示活动。目前的数据投影器可以达 到像看计算机屏幕一样的良好的投影效果。 还有一种与数据投影器功能相仿的数据投影板，是一 块与计算机屏幕差不多大小的平板显示器。只要把它放在 普通投影仪上，屏幕显示就可以通过投影仪的光学系统投 射到大屏幕或墙面上。数据投影板体积小，使用和携带都 比较方便。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机导论 第3章 计算机系统结构 3.5 计算机的基本工作原理 我们通过一个简单的例子来说明有关计算程序的基 概念，以便理解计算机的基本工作原理。例如，如何计 算5＋4＝？这一简单算题，必须先编写出完成这一算题 的计算步骤，如表所示。我们把该表称为文字形式的计 算程序，表中的每一个计算步骤完成一个基本操作﹙如 取数、加法、存数、打印输出等﹚，如同向计算机下达 一条完成某些操作的命令，称它为一条“指令”。这就是 说。计算程序是由完成某一特定任务的一组指令所组成。 分析表2–1中的每条指令可知，每条指令都必须向计 算机提供两个信息：一是执行什么操作，另一是参与这 计算机导论 第3章 计算机系统结构 一操作的数据是什么。 计算5+4的程序（文字形式）表（1） 计算步骤 解 题 命 令 1 从存储器中取出2到运算器 2 从存储器中取出3，并在运算器中与5相 加，得和5 3 将结果5存入存储器中 4 从输出设备将结果打印输出 计算机导论 第3章 计算机系统结构 指令序列 1 2 3 4 执行的操作 取数 加法 存数 打印 表（3） 操作名称 操作码 取数 加法 存数 打印 表（2） 指令内容 0100 0010 0101 1000 操作数 2 3 5（结果） 5 表（4） 数的存放地址 存放的数 0001 0010 0011 0010 0011 计算结果 计算机导论 第3章 计算机系统结构 例如，表(1)中的第一条指令，它向计算机指明：该条指令 要执行的操作是“取数”，从存储器取到计算器的数据是 “5”。 按此原理，可将表(1)所示的计算程序简化为表(2)所示。 在计算机中，所有“操作”都是用二进制代码进行编码的， 若 假定前述四种基本操作的编码如表(3)所示，则称“0100”为 “取数”操作的操作码，其它三个操作码分别为“0010”﹙ 加 法操作﹚、“0101”﹙存数操作﹚、“1000”﹙打印输出操作 ﹚。 在计算机中，数据是以二进制代码表示的，并存放在存储器 的预定地址的存储单元中。若假定本题的原始数据2、3及计 算结果存放在第1至3号存储单元中，如表(4)所示，那么表 计算机导论 第3章 计算机系统结构 操作码和地址码组成。表(5)给出了计算2＋3的真正计算程 序，其含义与表(1) 给出最原始的计算程序完全一样，但能 为计算机所执行。根据上述对数据和指令在存储器中存放地 址的假定，可以得到如图所示的布局，从图可知，地址为 0001至0011的存储单元中存放数据﹙假定用8位二进制代码 表示﹚，地址为0101至1000的存储单元中存放了指令，第 0100号存储单元为空。面简要说明计算机的基本工作原理。 指令地址 0101 0110 0111 1000 指令内容 操作码 0100 0010 0101 1000 表（5） 地址码 0001 0010 0011 0011 计算机导论 第3章 计算机系统结构 存储单元地址 存储单元内容 0001 0000 0010 2 0010 0000 0011 3 0011 原始数据 计算结果 0100 0101 0100 0001 取数指令 0110 0010 0010 加法指令 0111 0101 0011 存数指令 1000 1000 0010 打印输出指令 计算程序 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑴根据给定的算式﹙2＋3＝？﹚，编制计算程序， 并分配计算程序及数据在存储器中的存放地址 ﹙见表表(4) 和表(5)。 ⑵用输入设备将计算程序和原始数据输入到存储器的指定 地址的存储单元中﹙如图示﹚。 ⑶从计算程序的首地址﹙0101﹚启动计算机工作，在控制 器的控制下完成下列操作： 从地址为0101的存储单元中，取出第1条指令 ﹙01000001﹚送入控制器。控制器识别该指令的操作码 ﹙0100﹚，确认它为“取数”指令。 控制器将第1条指令中的地址码﹙0001﹚送入存储器， 并发出“读”命令，便从地址为0001的存储单元中取出数 计算机导论 第3章 计算机系统结构 据00000010﹙十进制数2﹚送入运算器。 至此，第1条指令执行完毕，控制器自动形成下一条 指令在存储器中的存放地址，并按此地址从存储器中取 出该条指令，在控制器中分析该条指令要执行的是什么 操作，并发出执行该操作所需要的控制信号，直至完成 该条指令所规定的操作。依此类推，直到计算程序中的 全部指令执行完毕。 由上可知，计算机的基本工作原理可概括如下： ⑴计算机的自动计算﹙或自动处理﹚过程就是执行 一段预先编制好的计算程序的过程。 ⑵计算程序是指令的有序集合。因此，执行计算程 序的过程实际上是逐条执行指令的过程。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 ⑶指令的逐条执行是计算机的硬件实现的，可归结 为取指令、分析指令、执行指令所规定的操作，并为取 下一条指令准备好指令地址。如此重复操作，直至执行 完计算程序中的全部指令，便可获得最终结果。 需要指出的是，现代计算机系统已提供强有力的系统软 件，计算机的使用者已无需再用指令的二进制代码﹙称 为机器语言﹚进行编程，计算程序的存储器中的存放位 置都由计算机的操作系统自动安排。 计算机导论 第3章 计算机系统结构 计算机的 工作原理 运算（处理） 存储（记录） 控制（协调）