友情提示:同学您好,此页面仅供预览,在此页面学习不会被统计哦! 请进入学习空间后选择课程学习。
内容

计算机是一种能高速、精确、自动处理信息的现代化电子设备。计算机不仅能够完成各种复杂的数值计算,还能模拟人脑进行分析和处理各种事物。计算机已广泛应用于社会的各个领域。

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统构成。


硬件是指计算机系统中由电子线路和各种机电设备组成的设备实体。通俗的讲,就是那些看得见、摸得着、能够通过机械加工生产出来的部件,它们是构成计算机的物质设备,如主机、输入和输出设备等。

软件是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序以及一些说明这些程序的相关资料的总和。

在计算机技术的发展进程中,硬件的发展为软件提供了良好的环境,而软件的发展又对硬件系统提出了新的要求,促进了硬件的发展,两者相辅相承,互相依赖。性能再好的计算机硬件如果没有软件的配合,也无用武之地。没有安装任何软件的计算机称为裸机,通过安装系统软件将裸机改造成为功能更强大、使用更方便的虚拟机。

从20世纪初开始,人们就一直对图灵机、算法等重要概念进行讨论。

图灵机模型

计算机科学的奠基人英国科学家阿兰.图灵1936年提出著名的图灵机模型理论,为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。 

所谓的图灵机是一种抽象的计算模型,它是图灵通过模拟人用纸和笔进行数学运算过程而构造的假想机器。如图1所示。该机器由以下几个部分构成:一条无限长的磁带、读/写头及控制器。控制器内包括控制规则表,它能够通过读/写头对磁带上的符号进行读或写,读写头可以在磁带上左右移动。磁带分成了一个个的小方格,每个方格中可以记录机器字母表里的符号,如0或1等。


图灵机不是一种具体的机器,而是一种理论模型,可用来指导制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置,使得这种机器能够对任何“可计算”的函数进行有效的计算,在有限步内求出函数的计算结果。图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一,图灵机模型是算法分析和程序语言设计的基础,为计算机设计指明了方向。

冯·诺伊曼计算机

1946年,曾直接参加第一台计算机ENIAC研制工作的美籍匈牙利数学家冯.诺依曼提出了存储程序控制为核心的设计计算机的体系结构。

冯.诺依曼计算机的特点是:以运算器和控制器作为计算机结构的核心;指令和数据都采用二进制代码的形式来表示;采用存储程序控制方式,指令和数据以同等地位存储在同一个存储器中;指令在存储器中按其执行顺序存放,一般按序执行,特殊情况下执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变 。

现代计算机

冯.诺依曼体系结构是现代计算机的基础。60多年来,虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等方面发生了很大变化,但基本结构都没有脱离冯.诺依曼思想,现代计算机体系结构以存储器为中心,其结构如图2所示。


计算机以存储器为中心,当通过输入设备输入用户的操作命令或数据后,计算机接受指令,由控制器指挥,将数据从输入设备传送到存储器存储起来;再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器,由运算器进行计算,计算的结果通过计算机的输出设备(显示器或打印机等)输出,或者将计算结果保存在计算机的存储器(硬盘或软盘)上。计算机采用存储程序方式,程序和数据放在同一个存储器中,指令和数据可以送到运算器中进行运算,由指令组成的程序是可修改的。计算机工作的基本原理如图所示。


根据冯.诺依曼体系,计算机结构主要由运算器、控制器、存储器和输入、输出设备五大部分组成。计算机以存储器为中心,当通过输入设备输入用户的操作命令或数据后,计算机接受指令,由控制器指挥,将数据从输入设备传送到存储器存储起来;再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器,由运算器进行计算,计算的结果通过计算机的输出设备(显示器或打印机等)输出,或者将计算结果保存在计算机的存储器(硬盘或软盘)上。计算机采用存储程序方式,程序和数据放在同一个存储器中,指令和数据可以送到运算器中进行运算,由指令组成的程序是可修改的。


计算机中的运算器、存储器和控制器是计算机的主要组成部分,其中运算器、控制器合在一起称为中央处理器,也叫CPU。此外,计算机的组成中还包括输入设备和输出设备,称为外部设备。

1.运算器

运算器也称为算术逻辑单元,是计算机中进行算术运算和逻辑运算的主要部件,它的功能是在控制器的控制下,由存储器中取得数据,进行算术运算和逻辑运算,并把结果送到存储器中。计算机中的任何处理都是在运算器中进行的。

2.控制器 

控制器是计算机的指挥控制中心,它的基本功能是按照程序计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令,并对指令进行分析,根据指令的功能向有关部件发出控制命令,控制执行指令的操作,使计算机各部分自动、连续并协调动作,成为一个有机的整体,实现数据和程序的输入、运算并输出结果。

3.存储器

存储器是存放程序和数据的部件,是计算机的记忆装置。存储器用于存放计算机进行信息处理所必需的原始数据、中间结果、最后结果以及指示计算机进行工作的程序。计算机的存储器分为内部存储器(简称内存或主存)和外部存储器(简称外存或辅存)。

4.输入设备

输入设备用来接收用户输入的数据、程序,并转换为计算机能够识别接受的形式,输入到内存中去。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、声音识别系统、触摸屏、数码相机和磁盘驱动器等。

5.输出设备

输出设备用于将存储在计算机内部的信息转换成人们所能接受的形式。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和磁盘驱动器等。

随着现代电子技术和计算机技术的不断发展,计算机的硬件组成也有一些变化,如采用双核或多核CPU以及先进的总线结构等,为促进合理的、日益加速的性能发展提供了一个理想的平台,使计算机系统整体性能得到了空前的提升,满足了同时运行多项任务、数学分析和网络事物等各种各样的应用。超高速计算机采用平行处理技术,使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理,这也是改进计算机结构、提高计算机运行速度的关键技术。