数字计算机的硬件组成详解

数字计算机的硬件组成详解
　　
　　用一个算盘，一张纸，一支笔来计算y=ax+b-c这个题目，步骤如下。

表1.2 解题步骤和数据记录在横格纸上

　　算盘计算中用到了：
　　
　　1）纸：用于存储解题的原始信息；
　　
　　2）算盘：用于对数据进行加、减、乘、除等算术运算；
　　
　　3）笔：用于把原始数据和解题步骤记录到纸上，及把运算结果写出；
　　
　　4）我们人本身（主要是脑和手）用于控制解题步骤。
　　
　　计算机也需要相应部件：
　　
　　运算器：在计算机中相当于算盘功能的部件；
　　
　　存储器：在计算机中相当于纸那样具有“记忆”功能的部件；
　　
　　输入设备输出设备：相当于笔，把原始解题信息送到计算机或把运算结果显示出来的设备；
　　
　　控制器：相当于我们的大脑，能够自动控制整个计算过程。

1.运算器
　　
　　运算器就好比一个由电子线路构成的算盘，能进行加、减、乘、除等算术运算，还可进行逻辑运算。考虑到电子器件的特性，计算机中通常采用二进制数。这是因为二进制数的运算规律非常简单，在电子线路中比较容易实现，而且设备也最省。
　　
　　二进制数和十进制数一样，在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高，但是位数越多，所需的电子器件也越多。目前计算机的运算器长度一般是8位、16位、32位或64位。
　　
　　2.存储器
　　
　　存储器的功能：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。在运算前把参加运算的数据和解体步骤通过输入输出设备送到存储器中保存起来。 不论是数据，还是解题步骤，存储器存储的全是0或1表示的二进制代码。 目前采用半导体器件来作为存储器。一个半导体触发器可以记忆一个二进制代码，一个数假定用16位二进制代码表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码。
　　
　　存储单元：在存储器中保存一个数的16个触发器，称为一个存储单元。
　　
　　地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址。
　　
　　存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB”表示，如64KB，128MB。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。
　　
　　外存储器：计算机中又配备的存储容量更大的磁盘存储器、光盘存储器等。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。
　　
　　3.控制器
　　
　　控制器是计算机中发号施令的部件，它控制计算机的个部件有条不紊地进行工作。具体的讲，控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作：
　　
　　（1） 计算程序
　　
　　运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及其他一些辅助操作。对于比较复杂的算题，计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做。每一个基本操作就叫做一条指令，而解算某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序，简称为程序。
　　
　　例如在前述求解y=ax+b-c的例子中，解题步骤的每一步，只完成一种基本操作，所以就是一条指令，而整个解题步骤就是一个简单的计算程序。

（2） 指令的形式
　　
　　每条指令应当明确告诉控制器，从存储器的那个单元取数，并进行何种操作。
　　
　　指令的内容由两部分组成，即操作的性质和操作的地址。前者称为操作码，后者称为地址码。

　　操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、乘、除、取数、存数等等；
　　
　　地址码：表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元取，运算的结果应存到哪个单元。

表1.3 指令的操作码定义表

　　1.3中指令的操作码部分就可以变成二进制代码。假如把地址码部分和数据也换成二进制数，那么整个存储器的内容全部变成了二进制的代码或数据。
　　
　　（3）控制器的基本任务
　　
　　计算机进行计算时，指令必须是按一定的顺序一条接一条地进行。控制器的基本任务，就是按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。依次类推，通常把取指令的一段时间叫做取指周期，而把执行指令的一段时间叫做执行周期。因此，控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中。每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加1，从而为取下一条指令做好准备，这也就是指令为什么在存储器中顺序存放的原因。

（4）指令流和数据流
　　
　　由于数字电路使用0和1两个二进制数字，所以使用“位”（bit）作为数字计算机的最小信息单位。CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，用B（字节）和W（字）等较大的信息单位来工作。一个“字节”由8位二进制信息组成，而一个“字”则至少由一个以上的字节组成。通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。
　　
　　计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如果某字代表要处理的数据，则称为数据字；如果某字为一条指令，则称为指令字。
　　
　　指令和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器；而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。
　　
　　4.适配器与输入输出设备
　　
　　目前常用的输入设备是键盘、鼠标器、数字扫描仪等。它们的作用是把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。输出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。如激光印字机、绘图仪、CRT显示器等。计算机的输入/输出设备通常称为外围设备。由于种类繁多且速度各异，因而它们不是直接地同高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相连接。适配器的作用相当与一个转换器，它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。计算机系统中还必须有总线。系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。