數(shù)字計算機的硬件組成詳解

數(shù)字計算機的硬件組成詳解
　　
　　用一個算盤，一張紙，一支筆來計算y=ax+b-c這個題目，步驟如下。

表1.2 解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上

　　算盤計算中用到了：
　　
　　1）紙：用于存儲解題的原始信息；
　　
　　2）算盤：用于對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算；
　　
　　3）筆：用于把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，及把運算結(jié)果寫出；
　　
　　4）我們?nèi)吮旧恚ㄖ饕悄X和手）用于控制解題步驟。
　　
　　計算機也需要相應(yīng)部件：
　　
　　運算器：在計算機中相當于算盤功能的部件；
　　
　　存儲器：在計算機中相當于紙那樣具有“記憶”功能的部件；
　　
　　輸入設(shè)備輸出設(shè)備：相當于筆，把原始解題信息送到計算機或把運算結(jié)果顯示出來的設(shè)備；
　　
　　控制器：相當于我們的大腦，能夠自動控制整個計算過程。

1.運算器
　　
　　運算器就好比一個由電子線路構(gòu)成的算盤，能進行加、減、乘、除等算術(shù)運算，還可進行邏輯運算。考慮到電子器件的特性，計算機中通常采用二進制數(shù)。這是因為二進制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單，在電子線路中比較容易實現(xiàn)，而且設(shè)備也最省。
　　
　　二進制數(shù)和十進制數(shù)一樣，在運算中，當數(shù)的位數(shù)越多時，計算的精度就越高，但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多。目前計算機的運算器長度一般是8位、16位、32位或64位。
　　
　　2.存儲器
　　
　　存儲器的功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。在運算前把參加運算的數(shù)據(jù)和解體步驟通過輸入輸出設(shè)備送到存儲器中保存起來。 不論是數(shù)據(jù)，還是解題步驟，存儲器存儲的全是0或1表示的二進制代碼。 目前采用半導(dǎo)體器件來作為存儲器。一個半導(dǎo)體觸發(fā)器可以記憶一個二進制代碼，一個數(shù)假定用16位二進制代碼表示，那么就需要有16個觸發(fā)器來保存這些代碼。
　　
　　存儲單元：在存儲器中保存一個數(shù)的16個觸發(fā)器，稱為一個存儲單元。
　　
　　地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址。
　　
　　存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB”表示，如64KB，128MB。存儲容量越大，表示計算機記憶儲存的信息就越多。
　　
　　外存儲器：計算機中又配備的存儲容量更大的磁盤存儲器、光盤存儲器等。相對而言，半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存。
　　
　　3.控制器
　　
　　控制器是計算機中發(fā)號施令的部件，它控制計算機的個部件有條不紊地進行工作。具體的講，控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作：
　　
　?。?） 計算程序
　　
　　運算器只能完成加、減、乘、除四則運算及其他一些輔助操作。對于比較復(fù)雜的算題，計算機在運算前必須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本操作來做。每一個基本操作就叫做一條指令，而解算某一問題的一串指令序列，叫做該問題的計算程序，簡稱為程序。
　　
　　例如在前述求解y=ax+b-c的例子中，解題步驟的每一步，只完成一種基本操作，所以就是一條指令，而整個解題步驟就是一個簡單的計算程序。

（2） 指令的形式
　　
　　每條指令應(yīng)當明確告訴控制器，從存儲器的那個單元取數(shù)，并進行何種操作。
　　
　　指令的內(nèi)容由兩部分組成，即操作的性質(zhì)和操作的地址。前者稱為操作碼，后者稱為地址碼。

　　操作碼：指出指令所進行的操作，如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等等；
　　
　　地址碼：表示參加運算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲器的哪個單元取，運算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元。

表1.3 指令的操作碼定義表

　　1.3中指令的操作碼部分就可以變成二進制代碼。假如把地址碼部分和數(shù)據(jù)也換成二進制數(shù)，那么整個存儲器的內(nèi)容全部變成了二進制的代碼或數(shù)據(jù)。
　　
　　（3）控制器的基本任務(wù)
　　
　　計算機進行計算時，指令必須是按一定的順序一條接一條地進行?？刂破鞯幕救蝿?wù)，就是按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進行相應(yīng)的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執(zhí)行這第二條指令。依次類推，通常把取指令的一段時間叫做取指周期，而把執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期。因此，控制器反復(fù)交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中。每取出一條指令，控制器中的指令計數(shù)器就加1，從而為取下一條指令做好準備，這也就是指令為什么在存儲器中順序存放的原因。

（4）指令流和數(shù)據(jù)流
　　
　　由于數(shù)字電路使用0和1兩個二進制數(shù)字，所以使用“位”（bit）作為數(shù)字計算機的最小信息單位。CPU向存儲器送入或從存儲器取出信息時，用B（字節(jié)）和W（字）等較大的信息單位來工作。一個“字節(jié)”由8位二進制信息組成，而一個“字”則至少由一個以上的字節(jié)組成。通常把組成一個字的二進制位數(shù)叫做字長。
　　
　　計算機字既可以代表指令，也可以代表數(shù)據(jù)。如果某字代表要處理的數(shù)據(jù)，則稱為數(shù)據(jù)字；如果某字為一條指令，則稱為指令字。
　　
　　指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中，從形式上看，它們都是二進制數(shù)碼。一般來講，在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流，它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。
　　
　　4.適配器與輸入輸出設(shè)備
　　
　　目前常用的輸入設(shè)備是鍵盤、鼠標器、數(shù)字掃描儀等。它們的作用是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式。輸出設(shè)備的作用是把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式。如激光印字機、繪圖儀、CRT顯示器等。計算機的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。由于種類繁多且速度各異，因而它們不是直接地同高速工作的主機相連接，而是通過適配器部件與主機相連接。適配器的作用相當與一個轉(zhuǎn)換器，它可以保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。計算機系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計算機在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。