计算机基本结构

1.1.1　计算机基本结构

在计算机中，基本上有两种信息在流动：一类为数据，即各种原始数据、中间结果、程序等。这些数据主要由输入设备输入到运算器，再存储到存储器中。在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，运算的中间结果存入存储器中或由输出设备输出。另一类为控制命令（控制流，即程序），由控制器控制输入设备的启停、运算器的运算、存储器的读写和控制输出设备输出结果等。

计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成，也称计算机的五大部件，其结构如图1.2所示。

图1.2　F.Noyman计算机体系结构

1．运算器

运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算，实现逻辑判断。运算器在控制器的控制下实现其功能，运算结果由控制器控制送到存储器中。

2．控制器

控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成，控制器用来控制计算机各部件协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行。它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。

3．存储器

存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。存储器可分为两种：内存储器与外存储器。

（1）内存储器

内存储器也称主存储器（简称内存或主存），它直接与CPU相连接，存储容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内存储器由许多存储单元组成，每个单元能存放1个二进制数或1条由二进制编码表示的指令。

存储器的存储容量以字节为基本单位，每个字节都有自己的编号，称为“地址”，如要访问存储器中的某个信息，就必须知道它的地址，然后再按地址存入或取出信息。

为了度量信息存储容量，将8位二进制码（8bits）称为一个字节（Byte，简称B），字节是计算机中数据处理和存储容量的基本单位。1024个字节称为1K字节，1024K字节称1M字节（1MB），1024M字节称为1G字节（1GB），1024G字节称为1TB，现在微型计算机主存容量大多数在数百兆字节以上。

计算机处理数据时，一次可运算的数据长度称为一个“字”（Word）。字的长度称为字长。一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。常用的字长有8位、16位、32位、64位等。如某一类计算机的字由4个字节组成，则字的长度为32位，相应的计算机称为32位机。

（2）外存储器

外存储器又称辅助存储器（简称外存或辅存），它是内存的扩充。外存存储容量大、价格低，但存储速度较慢，一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果，需要时，可成批地和内存储器进行信息交换。外存只能与内存交换信息，不能被计算机系统的其他部件直接访问。常用外存有磁盘、光盘等。

4．输入／输出设备

输入/输出设备简称I/O（Input/Output）设备。用户通过输入设备将程序和数据输入计算机，输出设备将计算机处理的结果（如数字、字母、符号和图形）显示或打印出来。常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等。

人们通常把内存储器、运算器和控制器合称为计算机主机。而把运算器、控制器做在一个大规模集成电路块上称为中央处理器，又称CPU（Central Processing Unit）。也可以说主机是由CPU与内存储器组成的，而主机以外的装置称为外部设备，外部设备包括输入/输出设备、外存储器等。