3.1　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。硬件是指组成计算机的各种物理设备，也就是人们能够看得见、摸得着的实际物理设备，它包括计算机的主机和外围设备，具体由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。软件指在计算机硬件设备上运行的各种程序、相关文档和数据的总称。计算机系统的整体结构如图3-1所示。

3.1.1　冯·诺依曼原理

1945年，著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（见图3-2）在分析、总结莫奇力小组研制的ENIAC计算机的基础上，撰文提出了一个全新的存储程序的通用电子计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机）的方案。依据这一方案设计出来的计算机称为冯·诺依曼体系计算机，70多年来，计算机的这种体系结构一直都没有改变。方案中，他总结并提出了如下3点：

①　在计算机内部，程序和数据采用二进制代码表示。

②　把数据均以二进制编码形式存放到计算机的存储器中。

③　计算机应具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本功能部件。

3.1.2　计算机五大功能部件

冯·诺依曼原理的提出，构成了现代计算机技术的基本雏形，迄今为止，计算机的基本组成仍然遵循以下原则，即五大组成部分。

1.运算器

运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）。

2.控制器

控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地进行工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。

硬件系统的核心是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。它主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称CPU芯片。

3.存储器

存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息（包括原始的输入数据）、经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且，指挥计算机运行的各种程序，即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种。内存储器中存放将要执行的指令和运算数据，容量较小，但存取速度快。外存容量大、成本低、存取速度慢，用于存放需要长期保存的程序和数据。当存放在外存中的程序和数据需要处理时，必须先将它们读到内存中，才能进行处理。

4.输入设备

输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、磁盘驱动器和触摸屏等。

5.输出设备

输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和磁盘驱动器等。

计算机这五大部分相互配合，协同工作。其简单的工作原理是，首先由输入设备接收外界信息（程序和数据），控制器发出指令将数据送入内存，然后向内存发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存指令、取指令命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器中。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。计算机工作原理如图3-3所示。

3.1.3　计算机总线结构

总线技术是目前计算机中广泛采用的技术。所谓总线就是系统部件之间传送信息的公共通道，各部件由总线连接并通过它传递数据和控制信号。

根据所连接部件的不同，总线可分为内部总线和系统总线。内部总线是同一部件内部的连接总线，如连接CPU的控制器、运算器和各寄存器之间的总线。系统总线是同一台计算机的各部件之间相互连接的总线，如连接CPU、内存、I/O接口之间的总线。系统总线从功能上又可分为数据总线、地址总线和控制总线。

1.数据总线

数据总线用于传递数据。数据总线的传输方向是双向的，是CPU与存储器、CPU与I/O接口之间的双向传输通道。数据总线的位数和CPU的位数是一致的，是衡量微型计算机运算能力的重要指标。

2.地址总线

CPU通过地址总线把地址信息送到其他部件，因而地址总线是单向的。地址总线的位数决定了CPU的寻址能力，也决定了微型机的最大内存容量。例如，16位地址总线的寻址能力是216B=64KB，而32位地址总线的寻址能力是4GB。

3.控制总线

控制总线是由CPU对外围芯片和I/O接口的控制以及这些接口芯片对CPU的应答、请求等信号组成的总线。控制总线是最复杂、最灵活、功能最强的一类总线，其方向也因控制信号不同而有所差别。例如，读写信号和中断响应信号由CPU传给存储器和I/O接口；中断请求和准备就绪信号由其他部件传输给CPU。

计算机各类总线工作方式如图3-4所示。