計算機的硬體組成和功能部件

2020-12-11 電子發燒友

計算機的硬體組成和功能部件

不一樣的程序猿 發表於 2020-03-15 16:51:00

1、早期的馮.諾伊曼體系結構

存儲程序的思想奠定了現代計算機的基本結構。

1）計算機硬體系統由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成的；

2）指令和數據以同等的地位存於存儲器中，並可按地址尋訪。

3）指令和數據均以二進位代碼表示。

4）指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作數在存儲器中的位置；

5）指令在存儲器中按順序存放。通常，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果過根據設定的條件改變執行順序。

6）早期的馮諾依曼機以運算器為中心，輸入/輸出設備通過運算器和存儲器傳送數據。

注意：存儲程序的概念是指將程序以代碼的形式實現輸入到計算機主存儲器中，然後按其在存儲器中的首地址執行程序的第一條指令，以後就按該程序的規定順序執行其他指令，直至程序執行結束。

2.現代計算機的組織結構

在微處理器問世之前，運算器和控制器分離，而且存儲器的容量很小，故而設計成以運算器為中心，其他部件都通過運算器完成信息的傳遞。

而隨著微電子技術的進不，計算機需要處理、加工的信息量也與日俱增，大量I/O設備的速度和CPU的速度差距懸殊，故而以運算器為中心的結構不能滿足計算機發展的要求。現代計算機已經發展成為以存儲器為中心，使I/O操作儘可能地繞過CPU，直接在I/O設備和存儲器之間完成，以提高系統的整體運行效率。

目前絕大多數現代計算機仍遵循馮諾依曼的存儲程序的設計思想。

3.計算機的功能部件

傳統的馮諾依曼計算機和現代計算機的結構雖然有所不同，但功能部件是一致的，它們的功能部件包括：

（1）輸入設備

將程序和數據以計算機所能識別和接受的信息形式輸入到計算機。

輸入設備

（2）輸出設備

將計算機處理的結果以人們所能接受的形式或其他系統所要求的信息形式輸出。

最常用、最基本的輸出設備是顯示器、印表機。計算機的輸入、輸出設備（簡稱I/O設備）是計算機與外界連接的橋梁，是計算機中不可缺少的一個重要組成部分。

輸入設備

（3）存儲器

存儲器是計算機的存儲部件，用來存放程序和數據。

存儲器分為主存儲器（簡稱主存，也稱被存儲器）和輔助存儲器（簡稱輔存，也稱外存儲器）。CPU能夠直接訪問的存儲器是主存儲器，輔助存儲器用於幫助主存儲器記憶更多的信息，輔助存儲器中的信息必須調入主存後，才能為CPU所訪問。

主存儲器有許多存儲單元組成，每個存儲單元包括若干個存儲元件，每個存儲元件存儲一位二進位代碼「0」或「1」。故而存儲單元可存儲一串二進位代碼，稱這串代碼為存儲字，這串代碼的位數稱為存儲字長，存儲字長可以是一個字節（8bit）或者字節的偶數倍。

主存儲器的工作方式是按存儲單元的地址進行存取的，這種存取方式稱為地址存取方式（相連存儲器是按內存訪問的）。

存儲體存放二進位信息，地址寄存器（MAR）存放地址，經過地址解碼後找到所選的存儲單元。

數據存儲器（MDR）是主存和其他部件的中介機構，用於暫存要從存儲器中讀或者寫的信息。

時序控制邏輯用於產生存儲器操作所需的各種時序信號。

MAR的位數對應存儲單元的個數，如MAR為10位則有2^10=1024個存儲單元，記為1k.

MDR的位數和存儲字長相等，即存儲單元可容納的存儲元件的個數。

存儲器

（4）運算器

運算器是計算機的執行部件，用於對數據進行加工處理，完成算術運算和邏輯運算。算術運算如加、減、乘、除的按算術運算規則進行的運算，邏輯運算則是如與、或、非、異或、比較、移位等運算。

運算器的核心是算術邏輯單元ALU(Arithmetic and Logical Unit)。運算器包含若干通用寄存器，用於暫存操作數和中間結果，如累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作數寄存器（x）、變址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）等，其中前3個寄存器是必須有的。

運算器中還有程序狀態寄存器（PSW）,保留各類運算指令或測試指令的結果的各類狀態信息，以表徵系統運行狀態。

（5）控制器

控制器是計算機的指揮中心，由其指揮各部件自動協調地進行工作。控制器有程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、控制單元（CU）組成。

控制器

PC用來存放當前欲執行指令的地址，可以自動加一形成下一條指令的地址，它與主存的MAR之間有一條通路。

IR用來存放當前指令，其內容來自主存的MDR，指令中的操作碼OP（IR）直至CU,用以分析指令並發出各種微操作命令序列，而地址碼Ad(IR)送至MAR來取操作數。

現代計算機一般將運算器和控制器集成到同一個晶片上，合稱為中央處理器，簡稱CPU，CPU和主存儲其共同構成主機，而計算機中出去主機的其他硬體裝置（如I/O）統稱為外部設備（簡稱外設）。也就是說，外設主要包括外存和I/O。

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