1.2 计算机系统的基本构成

1.2.1 冯·诺依曼计算机简介

1.冯·诺依曼计算机的基本特征

尽管计算机经历了多次的更新换代，但到目前为止，其整体结构上仍属于冯·诺依曼计算机的发展，还保持着如下所述的冯·诺依曼计算机的基本特征。

① 采用二进制数表示程序和数据；

② 能存储程序和数据，并能由程序控制计算机的执行；

③ 具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分，基本结构如图1.2所示。

原始的冯·诺依曼计算机结构以运算器为核心，在运算器周围连接着其他各个部件，经由连接导线在各部件之间传送各种信息。这些信息可分为两大类：数据信息和控制信息（在图1.2中分别用实线和虚线表示）。数据信息包括数据、地址和指令等，数据信息可存放在存储器中；控制信息由控制器根据指令译码结果即时产生，并按一定的时间次序发送给各个部件，用以控制各部件的操作或接收各部件的反馈信号。为了节约设备成本和提高运算可靠性，计算机中的各种信息均采用了二进制数的表示形式。在二进制数中，每位只有“0”和“1”两个状态，计数规则是“逢二进一”。例如，用此计数规则计算式子“1+1+1+1+1”可得到3位二进制数“101”，即十进制数的5。在计算机科学研究中把8位（bit）二进制数称为一字节（Byte），简记为“B”,1024B称为1KB,1024KB称为1MB,1024MB称为1GB,1024GB称为1TB等。若不加说明时，本书所写的“位”就是指二进制位。

2.冯·诺依曼计算机的基本部件和工作过程

在计算机的5大基本部件中，运算器（Arithmetic logic Unit,ALU）的主要功能是进行算术及逻辑运算，是计算机的核心部件，运算器每次能处理的最大的二进制数长度称为该计算机的字长（一般为8的整倍数）；控制器（Controller）是计算机的“神经中枢”，用于分析指令，根据指令要求产生各种协调各部件工作的控制信号；存储器（Memory）用来存放控制计算机工作过程的指令序列（程序）和数据（包括计算过程中的中间结果和最终结果）；输入设备（Input Equipment）用来输入程序和数据；输出设备（Output Equipment）用来输出计算结果，即将其显示或打印出来。

根据计算机工作过程中的关联程度和相对的物理安装位置，通常将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit,CPU）。表示CPU能力的主要技术指标有字长和主频等。字长代表了每次操作能完成的任务量，主频则代表了在单位时间内能完成操作的次数。一般情况下，CPU 的工作速度要远高于其他部件的工作速度，为了尽可能地发挥 CPU 的工作潜力，解决好运算速度和成本之间的矛盾，将存储器分为主存和辅存两部分。主存成本高、速度快、容量小，能直接和CPU交换信息，并安装于主机箱内部，也称其为内存；辅存成本低、速度慢、容量大，要通过接口电路经由主存才能和CPU交换信息，是特殊的外部设备，也称为外存。

计算机工作时，操作人员首先通过输入设备将程序和数据送入到存储器中。启动运行后，计算机从存储器顺序取出指令，送往控制器进行分析并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号，最终的运算结果要送到输出设备输出。

1.2.2 现代计算机系统的构成

一个完整的现代计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分，微机系统也是如此。硬件包括了计算机的基本部件和各种具有实体的计算机相关设备；软件则包括了用各种计算机语言编写的计算机程序、数据和应用说明文档等。本节仅以微机系统为例说明现代计算机系统的构成。

1.软件系统

在计算机系统中硬件是软件运行的物质基础，软件是硬件功能的扩充与完善，没有软件的支持，硬件的功能不可能得到充分的发挥，因此软件是使用者与计算机之间的桥梁。软件可分为系统软件和应用软件两大部分。

系统软件是为使用者能方便地使用、维护、管理计算机而编制的程序的集合，它与计算机硬件相配套，也称之为软设备。系统软件主要包括对计算机系统资源进行管理的操作系统（Operating System,OS）软件、对各种汇编语言和高级语言程序进行编译的语言处理（Language Processor,LP）软件、对计算机进行日常维护的系统服务程序（System Support Program）以及工具软件等。

应用软件则主要面向各种专业应用和某一特定问题的解决，一般指操作者在各自的专业领域中为解决各类实际问题而编制的程序，如文字处理软件、仓库管理软件、工资核算软件等。

2.硬件系统

在计算机科学中将连接各部件的信息通道称为系统总线（BUS，简称总线），并把通过总线连接各部件的形式称为计算机系统的总线结构，分为单总线结构和多总线结构两大类。为使成本低廉，设备扩充方便，微机系统基本上采用了图1.3所示的单总线结构。根据所传送信号的性质，总线由地址总线（Address BUS,AB）、数据总线（Data BUS,DB）和控制总线（Control BUS,CB）3部分组成。根据部件的作用，总线一般由总线控制器、总线信号发送/接收器和导线等所构成。

在微机系统中，主板（见图1.4）由微处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口、总线电路和基板组成，主板上安装了基本硬件系统，形成了主机部分。其中的微处理器是采用超大规模集成电路工艺将运算器和控制器制作于同一芯片之中的CPU，其他的外部设备均通过相应的接口电路与主机总线相连，即不同的设备只要配接合适的接口电路（一般称为适配卡或接口卡）就能以相同的方式挂接在总线上。一般在微机的主板上设有数个标准的插座槽，将一块接口板插入到任一个插槽里，再用信号线将其和外部设备连接起来就完成了一台设备的硬件扩充，非常方便。

把主机和接口电路装配在一块电路板上，就构成单板计算机（Single Board Computer），简称单板机；若把主机和接口电路制造在一个芯片上，就构成单片计算机（Single Chip Computer），简称单片机。单板机和单片机在工农业生产、汽车、通信、家用电器等领域都得到了广泛的应用。 l2cMr7Fl4sZU/O4GIZwDG9KckPUKYY2l4zQ5pyJXyt9WqncU05DmhQKtWYhPtGEG