计算机操作系统(12):计算机工作原理
计算机工作原理
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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。
中文名
计算机工作原理
外文名
computer work theory
基本原理
通过计算发出的指令工作
系统构架
硬件系统和软件系统
计算机发明者
(Altanasoft
目录
- 1 基本原理
- 2 系统架构
- 3 指令
- 4 硬件
- ▪ 中央处理器
- ▪ 控制器
- ▪ 运算器
- ▪ 存储器
- ▪ 输入输出设备
- ▪ 总线
- 5 技术指标
- 6 演变
- ▪ 早期的计算机
- ▪ 有内部存储器
- ▪ 纸带机
- ▪ 键盘和显示器
- ▪ 有外部存储器
- ▪ 有文件系统
- ▪ 有操作系统
- 7 软件系统
基本原理
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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。
系统架构
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计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼(John von Neumann)奠定了现代计算机的基本结构,这一结构又称冯·诺依曼结构,其特点是:
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
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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。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。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等,在后续的内容中将会着重介绍。
硬件
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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
控制器
运算器
存储器
输入输出设备
总线
技术指标
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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,目前这种现象已有所改善。
演变
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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。
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:
纸带机
键盘和显示器
有外部存储器
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。
其实操作系统就是替我们管理计算机的一种软件,在操作系统出现之前,只有专业人士才懂得怎样使用计算机,而在操作系统出现之后,不管你是否是计算机专业毕业,只要经过简单的培训,你都能很容易地掌握计算机。
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。
软件系统
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应用软件
上面说的是硬件的工作原理,那么在软件上,我们又是如何使用计算机的呢?
在前面我们讲过,我们可以通过操作系统给计算机布置工作,操作系统也可以把计算机的工作结果告诉我们。可是操作系统的功能也不是无限的,实际上计算机的很多功能是靠多种应用软件来实现的。操作系统一般只负责管理好计算机,使它能正常工作。而众多的应用软件才充分发挥了计算机的作用。但这些应用软件都是建立在操作系统上的,一般情况下,某一种软件都是为特定的操作系统而设计的,因为这些软件不能直接和计算机交换信息,需要通过操作系统来传递信息。
硬件和软件的结合
这就是所谓的“硬”、“软”结合。硬件就是我们能看见的这些东西:主机、显示器、键盘、鼠标等,而软件是我们看不见的,存在于计算机内部的。打个比方,硬件就好比人类躯体,而软件就好比人类的思想,没有躯体,思想是无法存在的,但没有思想的躯体也只是一个植物人。一个正常人要完成一项工作,都是躯体在思想的支配下完成的。电脑和这相类似,没有主机等硬件,软件是无法存在的;而一个没有软件的计算机也只是一堆废铁。
操作系统对文件的管理
还有一个重要的概念没有讲,就是操作系统是如何管理文件的呢?其实也很简单,文件都有自己的名字,叫文件名,用来区分不同的文件的。计算机中的文件有很多,成千上万,光用名字来区分也不利于查找,所以计算机中又有了文件夹的概念,把不同类型的文件存储在不同的文件夹中,查找起来就快多了,也不会太乱。文件多了,可以分别存储在不同的文件夹中,而当文件夹多了之后,再把一些相关的文件夹存储在更大的文件夹中,这样管理文件是比较科学的。 [1]
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