白中英《计算机组成原理》(第5版)教材精讲(计算机系统概论 计算机的硬件)

1.3　计算机的硬件

一、硬件组成要素

1．举例说明

要了解数字计算机的主要组成和工作原理，可从打算盘说起。假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求计算这样一个题目。为了和下面讲到的内容做比较，不妨按以下方法把使用算盘进行解题的过程步骤事先用笔详细地记录在带横格的纸上。

（1）首先，将横格纸编上序号，每一行占一个序号，如l，2，3，…，n，如表1-2所示。

（2）其次，把计算式中给定的四个数a，b，c和z分别写到横格纸的第

9，10，11，12行上，每一行只写一个数。

（3）接着详细列出给定题目的解题步骤，而解题步骤也需要记在横格纸上，每一步也只写一行。第一步写到横格纸的第l行，第二步写到第2行，……依次类推。

（4）如表1-2所示，根据表中所列的解题步骤，从第l行开始，一步一步进行计算，最后可得出所要求的结果。

表1-2　解题步骤和数据记录在横格纸上

2．冯·诺依曼体系结构

计算机组成原理讨论的基础就是冯·诺依曼的计算机，其基本设计思想就是存储程序和程序控制，具有以下特点：

（1）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。

（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

（3）数据以二进制数码表示。

（4）指令由操作码和地址码组成。

（5）指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器PC

指明要执行的指令所在单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。

（6）机器以运算器为中心，I/O 设备与存储器间数据传送都通过运算器。

计算机硬件系统的基本构成如图1-9所示。

图1-9　冯·诺依曼型计算机

二、 运算器

算术运算和逻辑运算 ；

在计算机中参与运算的数是二进制的 ；

运算器的长度一般是8、16、32或64位。

运算器的结构示意图如图1-10所示。

图1-10　运算器的结构示意图

三、存储器

存储数据和程序（指令）

容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）

分类：内存（ROM、RAM）、外存

存储器单位：

1KB ＝210B 1MB ＝220B

1GB ＝

230B 1TB ＝240B

图1-11

四、控制器

1．指令

（1）指令和程序指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）

。

（2）指令和数据存储

如图1-12所示。

图1-12　指令和数据在存储器中用二进制码存储

2．控制器的基本任务

控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期

控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器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，如图1-13所示。

图1-13　控制器的基本任务

五、适配器与I/O设备

1．输入设备

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

2．输出设备

把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式

3．适配器

它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作

4．总线

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。

六、硬件构成形式

现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。