[科普中国]-计算机工作原理

计算机的基本原理是存储程序和程序控制，预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

基本原理计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理，这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理，冯诺依曼体系结构计算机的工作原理可以概括为八个字：存储程序、程序控制1。

存储程序 --- 将解题的步骤编成程序（通常由若干指令组成），并把程序存放在计算机的存储器中（指主存或内存）；

程序控制 --- 从计算机主存中读出指令并送到计算机的控制器，控制器根据当前指令的功能，控制全机执行指令规定的操作，完成指令的功能。重复这一操作，直到程序中指令执行完毕。

冯诺依曼体系结构计算机的特点是：

1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。

2）存储单元是定长的线性组织。

3）存储空间的单元是直接寻址的。

4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。

5）对计算进行集中的顺序控制。

6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。

7）采用二进制形式表示数据和指令。

8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

指令计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作2。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令，其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令，整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码，为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。

硬件硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。现代计算机还包括中央处理器和总线设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。

中央处理器CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。

控制器控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指令操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。

运算器运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

存储器存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。 RAM RAM是随机存取存储器（Random Access Memory），其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。 ROM ROM是只读存储器（Read Only Memory），它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内容可以反复更改。 特殊固态存储器 包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。 此外，描述内、外存储容量的常用单位有： ①位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。 ②字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte=8bit。 ③千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB=1024Byte。 ④兆字节（MB Mega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB=1024KB。 ⑤吉字节（GB、Giga Byte）：市场流行的微机的硬盘已经达到430GB、640GB、810GB、1TB等规格。1GB=1024MB。 ⑥太字节（TB、Tera byte）：1TB=1024GB。最新有了PB这个概念，1PB=1024TB。

输入输出设备输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。 输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

总线总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构通常多采用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB（Address Bus）为地址总线；DB(Data Bus)为数据总线；CB（Control Bus）控制总线。

技术指标CPU类型

CPU类型是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。

字长

字长是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，字长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。

时钟频率和机器周期

时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。

运算速度

是指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）。

存取速度

是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。而连续两次读或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。

内、外存储器容量

是指内存存储容量，即内容储存器能够存储信息的字节数。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、U盘已是微机系统中不可缺少的外部设备。迄今为止，所有的计算机系统都是基于冯·诺依曼存储程序的原理。内、外存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈现象，不过由于硬盘的存取速度不断提高，这种现象已有所改善。

演变早期的计算机我们先从最早的计算机讲起，人们在最初设计计算机时采用这样一个模型：

人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再通过输出设备把处理后的结果告诉人们。

其实这个模型很简单，举个简单的例子，你要处理的信息是1+1，你把这个信息输入到计算机中后，计算机的内部进行处理，再把处理后的结果告诉你。

早期计算机的输入设备十分落后，根本没有键盘和鼠标，那时候计算机还是一个大家伙，最早的计算机有两层楼那么高。人们只能通过扳动计算机庞大的面板上无数的开关来向计算机输入信息，而计算机把这些信息处理之后，输出设备也相当简陋，就是计算机面板上无数的信号灯。所以那时的计算机根本无法处理像这样各种各样的信息，它实际上只能进行数字运算。

当时人们使用计算机也真是够累的。但在当时，就算是这种计算机也是极为先进的了，因为它把人们从繁重的手工计算中解脱出来，而且极大地提高了计算速度。

有内部存储器随着人们对计算机的使用，人们发现上述模型的计算机能力有限，在处理大量数据时就越发显得力不从心。为此人们对计算机模型进行了改进，提出了这种模型：

就是在中央处理器旁边加了一个内部存储器。这个模型的好处在于。先打个比方说，如果老师让你心算一道简单题，你肯定毫不费劲就算出来了，可是如果老师让你算20个三位数相乘，你心算起来肯定很费力，但如果给你一张草稿纸的话，你也能很快算出来。

可能你会问这和计算机有什么关系？其实计算机也是一样，一个没有内部存储器的计算机如果让它进行一个很复杂的计算，它可能根本就没有办法算出来，因为它的存储能力有限，无法记住很多的中间的结果，但如果给它一些内部存储器当“草稿纸”的话，计算机就可以把一些中间结果临时存储到内部存储器上，然后在需要的时候再把它取出来，进行下一步的运算，如此往复，计算机就可以完成很多很复杂的计算。

纸带机随着时代的发展，人们越来越感到计算机输入和输出方式的落后，改进这两方面势在必行。在输入方面，为了不再每次扳动成百上千的开头，人们发明了纸带机。纸带机的工作原理是这样的，纸带的每一行都标明了26个字母、10个数字和一些运算符号，如果这行的字母A上面打了一个孔，说明这里要输入的是字母A，同理，下面的行由此类推。这样一个长长的纸带就可以代表很多的信息，人们把这个纸带放入纸带机，纸带机还要把纸带上的信息翻译给计算机，因为计算机是看不懂这个纸带的。

这样虽然比较麻烦，但这个进步确实在很大程度上促进了计算机的发展。在发明纸带的同时，人们也对输出系统进行了改进，用打印机代替了计算机面板上无数的信号灯。打印机的作用正好和纸带机相反，它负责把计算机输出的信息翻译成人能看懂的语言，打印在纸上，这样人们就能很方便地看到输出的信息，再也不用看那成百上千的信号灯了。

键盘和显示器不过人们没有满足，他们继续对输入和输出系统进行改进。后来人们发明了键盘和显示器。这两项发明使得当时的计算机和我们使用的计算机有些类似了，而且在此之前经过长时间的改进，计算机的体积也大大地缩小了。键盘和显示器的好处在于人们可以直接向计算机输入信息，而计算机也可以及时把处理结果显示在屏幕上。

有外部存储器可是随着人们的使用，逐渐又发现了不如意之处。因为人们要向计算机输入的信息越来越多，往往要输入很长时间后，才让计算机开始处理，而在输入过程中，如果停电，那前面输入的内容就白费了，等来电后，还要全部重新输入。就算不停电，如果人们上次输入了一部分信息，计算机处理完了，也输出了结果；人们下一次再需要计算机处理这部分信息的时候，还要重新输入。对这种重复劳动的厌倦导致了计算机新的模型的产生。

这回的模型是这样的：

这回增加了一个外部存储器。外部存储器的“外部”是相对于内部存储器来说的，在中央处理器处理信息时，它并不直接和外部存储器打交道，处理过程中的信息都临时存放在内部存储器中，在信息处理结束后，处理的结果也存放在内部存储器中。可是如果这时突然停电，那些结果还会丢失的。内部存储器（或简称内存）中的信息是靠电力来维持的，一旦电力消失，内存中的数据就会全部消失。也正因为如此，人们才在计算机模型中加入了外部存储器，把内存中的处理结果再存储到外部存储器中，这样停电后数据也不会丢失了。

外部存储器与内存的区别在于：它们的存储机制是不一样的，外部存储器是把数据存储到磁性介质上，所以不依赖于是否有电。这个磁性介质就好比家里的歌曲磁带，磁带上的歌曲不管有没有电都是存在的。当时人们也是考虑到了磁带这种好处，所以在计算机的外部存储器中也采用了类似磁带的装置，比较常用的一种叫磁盘。

磁盘本来是圆的，不过装在一个方的盒子里，这样做的目的是为了防止磁盘表面划伤，导致数据丢失。

有了磁盘之后，人们使用计算机就方便多了，不但可以把数据处理结果存放在磁盘中，还可以把很多输入到计算机中的数据存储到磁盘中，这样这些数据可以反复使用，避免了重复劳动。

有文件系统可是不久之后，人们又发现了另一个问题，人们要存储到磁盘上的内容越来越多，众多的信息存储在一起，很不方便。这样就导致了文件的产生。

这和我们日常生活中的文件有些相似。我们日常生活中的文件是由一些相关信息组成，计算机的文件也是一样。人们把信息分类整理成文件存储到磁盘上，这样，磁盘上就有了文件1、文件2……。

有操作系统可是在使用过程中，人们又渐渐发现，由人工来管理越来越多的文件是一件很痛苦的事情。为了解决这个问题，人们就开发了一种软件叫操作系统。

操作系统（operating system，OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。

操作系统的类型非常多样，不同机器安装的操作系统可从简单到复杂，可从移动电话的嵌入式系统到超级计算机的大型操作系统。许多操作系统制造者对它涵盖范畴的定义也不尽一致，例如有些操作系统集成了图形用户界面，而有些仅使用命令行界面，而将图形用户界面视为一种非必要的应用程序。

有了操作系统之后，我们就不直接和计算机的硬件打交道，不直接对这些硬件发号施令，我们把要的事情告诉操作系统，操作系统再把要作的事情安排给计算机去做，等计算机做完之后，操作系统再把结果告诉我们，这样就省事多了。

在操作系统出现之前，人们通过键盘给计算机下达的命令都是特别专业的术语，而有了操作系统之后，人们和计算机之间的对话就可以使用一些很容易懂的语言，而不用去死记硬背那些专业术语了。

操作系统不但能在计算机和人之间传递信息，而且还负责管理计算机的内部设备和外部设备。它替人们管理日益增多的文件，使人们能很方便地找到和使用这些文件；它替人们管理磁盘，随时报告磁盘的使用情况；它替计算机管理内存，使计算机能更高效而安全地工作；它还负责管理各种外部设备，如打印机等，有了它的管理，这些外设就能有效地为用户服务了。

也正因为操作系统这么重要，所以人们也在不断地改进它，使它的使用更加方面，功能更加强大。对于咱们使用的微机来说，操作系统主要经历了DOS、Windows 3.X、Windows95和Windows98、windows2000、windows2003、windowsXP、windows vista、windows7、windows8和最新的windows10这几个发展阶段。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学