1.3 计算机工作原理

1.3.1 计算机结构

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。

根据冯·诺依曼体系结构（见图1-7）构成的计算机，必须具有如下功能。

（1）把需要的程序和数据送至计算机中。

（2）必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

（3）能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

（4）能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件。

（1）输入数据和程序的输入设备。

（2）记忆程序和数据的存储器。

（3）完成数据加工处理的运算器。

（4）控制程序执行的控制器。

（5）输出处理结果的输出设备。

2.程序的执行过程

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。

3.计算机的软件分类

计算机软件是指计算机运行、管理、应用和维护所需的各种程序、数据及其有关技术文档资料。只有硬件没有软件的计算机称为“裸机”，裸机只能运行由0和1组成的机器语言程序，没有软件系统的计算机几乎是没有用的。通常人们使用的计算机是经过软件“包装”的计算机，计算机的功能不仅仅取决于硬件系统，更大程度上由所安装的软件系统来决定。

软件种类繁多，通常根据软件用途可将其分为系统软件和应用软件。系统软件是用于管理、控制和维护计算机系统资源的软件，主要包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和服务程序等。应用软件是针对某一应用而开发的软件，可分为通用应用软件和专用应用软件。

4.计算机系统的层次结构

计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，如果按功能再细分，可分为如图1-8所示的7层结构。

●第0级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。

●第1级是微程序级。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件直接执行的。

●第2级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

●第3级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。

●第4级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫作汇编程序。

●第5级是高级语言级，这级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。

●第6级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

从图中可以看出，操作系统向下对计算机硬件进行管理和控制，向上支持其他各种软件，即所有其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。因此，操作系统是系统软件的核心，是其他软件的基础，同时也是用户与计算机进行交流的接口软件。