简述计算机的基本工作原理
计算机的工作原理？（详细过程）计算机的工作原理 1、冯诺依曼原理 “存储程序控制”原理是1946年由美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出的，所以又称为“冯诺依曼原理”。该原理确立了现代计算机的基本组成的工作方式，直到现在，计算机的设计与制造依然沿着“冯诺依曼”体系结构。 2、“存储程序控制”原理的基本内容 ①采用二进制形式表示数据和指令。 ②将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中（程序存储），使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令，并加以执行（程序控制）。 ③由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机硬件体系结构。 计算机工作过程 第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器。 第二步：启动运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要做什么事。 第三步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中。 第四步：当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。 参考资料来源：搜狗百科-计算机计算机工作原理计算机系统概述 计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机通过执行程序而 运行，计算 机工作时软硬件协同工作，二者缺一不可。 硬件（Hardware）是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的 有形实体。一个计算机硬件系统，从功能级角度而言包五大功能部件：运算 器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 硬件是计算机能够运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算 精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上只能运行机器语言程 序，使用很不方便，效率也低。 软件（Software）是指使计算机运行需要的程序、数据和有关的技术文档资料。软 件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。有了软件，人们可以不必过多地去了解 机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机。软件屏蔽了下层的具体计算机硬件，形成一台抽象的逻辑计算机（也称虚拟机），它在用户和计算机（硬件）之间架起了桥梁。 软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机制造者提供的使用和 管理计算机的软件，它包括操作系统、语言处理系统、常用服务程序等。应用软件是计 算机用户用计算机及其提供的各种系统软件开发的解决各种实际问题的软件。 必须指出，在计算机系统中，硬件和软件之间并没有一条明确的分界线。一般 来说，任何一个由软件完成的操作也可以直接由硬件来实现，而任何一个由硬件所执行 的指令也能够用软件来完成。软件和硬件之间的界线是经常变化的。今天的软件可能就是明天的硬件，反之亦然。 计算机硬件系统组成 从功能上来看，计算机的硬件系统由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，五大部分由总线连接。 控制器和运算器合在一起被 称为中央处理器CPU(Central Processing Unit)。 计算机基本工作原理 冯·诺依曼原理 世界上第一台计算机基于冯·诺依曼原理，其基本思想是：存储程序与程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。 到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。 根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。这里的指令必须为该计算机能直接理解和执行。 计算机指令与指令系统 指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机硬件理解并执行。一条指令就是 计算机机器语言的一个语句，是程序设计的最小语言单位。 一台计算机所能执行的全部指令 的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统比较充分地说明了计算机对数据进行处理的 能力。不同种类的计算机，其指令系统的指令数目与格式也不同。指令系统越丰富完备，编 制程序就越方便灵活。指令系统是根据计算机使用要求设计的。 一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，它通常应包括两方面的信息：操作码和地址码 。操作码用来表征该指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作；地址码指出参与操作的 数据在存储器中的地址。一般情况下，参与操作的源数据或操作后的结果数据都在存储器中 ，通过地址可访问该地址中的内容，即得到操作数。 CPU访问存储器需要一定的时间，为了提高运算速度，有时也将参与运算的数据或中间结果 存放在CPU寄存器中或者直接存放在指令中计算机的工作原理 指令是用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进制位串。 指令的格式 一条指令由操作码和地址码两部分组成。 例如二地址指令格式如下： 操作码 地址码1 地址码2 操作码：用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。 具体说明指令的性质或功能，每条指令只有一个操作码 。 例如，加法、减法、乘法、除法、取数、存数等各种基本操作均有各自相应的操作码。 地址码: 指出该指令所操作（处理）的对象（称为操作数）所在存储单元的地址。 包括着操作数的来源，结果的去向或下一条指令的地址等信息，不同指令中地址码的个数可以不一样。 指令系统 定义 一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合，称为该台计算机的指令系统。指令系统中有数以百计的不同指令。 指令的分类: 1，数据传送指令：用于把存储器或寄存器中的某个操作数复制到指定的存储单元或寄存器中去。 例如： MOV CL,05H 解释：将05H保存到寄存器CL中 2，算术运算指令：用于完成两个操作数的加、减、乘、除等各种算术运算。 例如： CX＝0029H，SI=04EDH，执行指令ADD SI,CX之后 将寄存器SI中存储的数04EDH和寄存器CX中存储的数0029H相加， 并把结果存在寄存器SI中 验算过程如下： 0029H + 04EDH 0516H 结果SI=0516H 3，逻辑运算指令：用于完成两个操作数的逻辑加、逻辑乘、按位加等各种逻辑运算。 例如：按位求反指令 BL=FBH,执行指令NOT BL后， BL=(11111011)2 取反后BL=(00000100)2=04H 4，移位运算指令：用于完成指定操作数的各种类型的移位操作。 5，位与位串操作：计算机中越来越重视非数值数据的操作，包括位与位串的装入、存储、传送比较、重复执行等，也可包括位串的插入、型存取。 6，控制与转移指令：通常程序中的指令多数是依次序一条条的顺序执行，但根据指令执行的结果，也可以跳到其他指令或其他程序段去执行。具有这种功能的就是各种类型的转移指令。 7，输入/输出指令：在微机中，往往把输入/输出设备中与主机可交换数据的寄存器称为I/O端口。同时，把各个I/O端口统一编址。使用输入/输出指令，就可以去存取各种外部设备的I/O端口，实现数据的输入/输出。 8，其它指令：包括各种处理器控制指令，它们往往由操作系统专用。 兼容性问题 每种CPU都有自己独特的指令系统，用某一类计算机的机器语言编制的程序难以在其他各类计算机上运行，这个问题称之为指令不兼容。 向下兼容： 如586机器语言向下兼容486机器语言程序。 指令精简问题 精简指令系统计算机RISC。 -------------------------------------------------------------------------------- 为解决某一问题而设计的一系列指令称为程序。 程序和相关数据存放在存储器中，计算的工作就是执行存放在存储器中的程序。 计算机运行程序的过程就是一条一条地执行指令的过程。 程序的执行又自动地控制着整个计算机的全部操作。 这就是50年前美国数学家冯·诺依曼提出的程序存储和程序控制的思想。这也是目前计算机的基本工作方式。 指令的执行 一条指令的执行过程大体如下： （1）指令预取部件向指令快存提取一条指令，若快存中没有，则向总线接口部件发出请求，要求访问存储器，取得一条指令； （2）总线接口部件在总线空闲时，通过总线从存储器中取出一条指令，放入快存和指令预取部件； （3）指令译码部件从指令预取部件中取得该指令，并把它翻译成起控制作用的微码； （4）地址转换与管理部件负责计算出该指令所使用的操作数的有效物理地址，需要时，请求总线接口部件，通过总线从存储器中取得该操作数； （5）执行单元按照指令操作码的要求，对操作数完成规定的运算处理，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志； （6）修改地址转换与管理部件中的指令地址，提供指令预取部件预取指令时使用。 Pentium 处理器中的流水线过程 由于Pentium中有两个整数ALU，所以它能同时执行两条流水线， 这种结构称为“超标量结构”（Superscalar)。
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