文科计算机基础-01-计算机基本原理(四)

大学计算机应用基础

计算机基本原理

北京大学信息科学技术学院

刘18哲

@4

计算发展简史

Peking

2University

什么是“计算”

□新华词典2001修订版

A计数；通过已知数求出未知数；筹划；打算；算计

□美国传统词典

＞用数学方法（尤其是数字的方法）决定或测定

＞利用计算机决定或测定

＞确定数量或数字

这些定义的共性:

1）基于数学，尤其是数字相关的数学

2）从已知（输入）推导出未知（输出）

什么是“计算机”

□顾名思义，“计算机”就是执行计算的“机器”

A能够基于数学，尤其是数字相关的数学，从已知(输入)

推导出未知(输出)的机器

□“计算机”名称的起源

>1646年正式出现“computer”这一英文单词

•当时是指专门从事计算工作的人

•而用来计算的机器在1940年以前称为“计算器

(calculator)”或“制表机(tabulator)”

>直到1940年发明第一台电子计算设备,“计算机”这一名

词才正式具备今天的内涵

Peking

University

4

计算机简史

口计算机前世罗

A手工计算器，1200年~1600年马

A机械计算器，1600年~1930年系

A计算机原型，1937年~1946年是

□现代计算机一

A真空管计算机，1946年人

»晶体管计算机，1950年代后期建

»集成电路计算机，1965年成

A超大规模集成电路，1970年代早期的

O产.

“京，Uiuversity

5

手工计算器

口进行数字计算的工具

＞需手工实施运算法则

A体现了计算机的核心：

按照

运算法则算盘，1200年

操纵数字

一步一步

执行计算

Napier乘除器移动计算尺，1621年

赢产,t

Umversity

机械计算器

口帕斯卡

A12岁独自发现了“三角形的内角和等于180度”

>16岁参加巴黎数学家和物理学家小组

>17岁时写成《圆锥截线论》震惊数学家笛卡儿

A18岁时开始设计计算机，帮助父亲计算税率税款

>19岁第三个模型在1642年研制成功

■帕斯卡加法器(1642)

♦是一种系列齿轮组成的装置，依靠发

条转动，用专用的铁笔拨动转轮以输

入数字。

♦开始只能够做6位加法和减法

Peking

University

机械计算器

口机械计算机能够自动实施运算法则

＞手工计算器需遵循运算法则进行大量手工操作，无法满足工业革命的需要

德国科学家，当时在图宾根

(Tubingen)大学任教授。

他广泛涉猎天文学、数学和

测量学等诸多领域。

♦契克卡德计算机可以进行6位

数加减法，或许设置了某种

“溢出”响铃装置

♦机器上部附加一套圆柱型“纳

皮尔算筹”，因此也能进行乘

除运算

1623年，德国Schickard计算器(六

位数加减)第一台机械计算器

%Peking

University

8

机械计算器

□莱布尼茨

A改进了帕斯卡的机械计算器（40年时间！）

»发明了莱布尼茨转轮，成为后续很多机械计算器的基础,

可以完成较为复杂的四则运算

1673年，德国Leibniz四则运算器（改

进Pasca功口减法器）

但是，莱布尼茨对计算技术的贡献远关朝常3y

9

机械计算器

口八卦与二进制

＞莱布尼茨第一个提出了二进制的思想!

»其灵感来自于中国的八卦!

＞将二进制的思想写信给喜欢数学的康熙皇帝,希望后者能

皈依基督教…冏一

新111

弛11O

1O1

M:

愚1OO

察O11

城O1O

印OO1

照OOO

10

机械计算器

口机械计算器运行的“自动化”

A1823年，英国Babbage设计实现了功能强大的差分机，但

极其复杂，意味着更强大的机械计算器必须自动化

4000多个零件

把函数表的复杂算式转化为

差分运算，用简单的加法代

替平方运算。

“可处理3个不同的5位数，计

算精度达到6位小数。

瀛产.t

“二#University

机械计算器

口机械计算器运行的“自动化”

A1834年，英国人Babbage设计的分析机（蒸汽驱动）

•存储数据的仓库：每个齿轮可贮存10个数，齿轮组成的

阵列总共能够储存1000个50位数

•执行运算的作坊：基本原理与帕斯卡的转轮相似，用齿

轮间的啮合、旋转、平移等方式进行数字运算

•运算控制器：以自动编织机穿孔卡中的。和1来控制运算

操作的顺序，如，第一步运算结果若是“1”，就接着做

乘法，若是”0"就进行除法运算

•数据传输部件：在仓库和作坊之间不断往返运输数据

分析机最终没能造出来，巴贝奇和阿达

（英国诗人拜伦的独生女）失败了！

因为看得太远！分析机的设想超出了其

所处时代至少一个世纪暮看踪迹,

%荒,Umversity

12

机械计算器的不断发展

口统计学家霍列瑞斯(Hollerith)，涔逾J，。”，”'"'11.

»源自美国人口普查、蟒101也0曲曲0必

----------------——

•1880年的人口普查1887年才完成——

•1890年的可能需要到1900年才能完成

AHollerith制表机(电子穿孔卡片汇总)

应运而生，6个月即完成1890年人口普查

数据汇总，随后两年内完成所有统计工

作

>1896年，Hollerith成立“计算制表记录

公司”，1924年改名“国际商用机器公

司”

□1935年：IBM制造了IBM601穿孔卡片式计算

机，该计算机能够在一秒钟内计算出乘法运

采用电气元件的“计算机原型”

□1934年德国工程师楚泽(K.Zuse)开始

研制Z1、Z2、Z3三种型号的计算机

A采用二进制的运算方式

＞以继电器为主要元件

□1941年Zuse完成了Z3的研制工作■

＞第一台可编程的电子计算机。

A可处理7位指数、14位小数。(I

»使用了大量的真空管。

’■,■一

UlMur

＞每秒种能作3到4次加法运算fjrjjjjjji？QiODCVJ

A一次乘法需要3到5秒。

/////

机械计算器小结

口什么是计算：

＞机械计算机是利用机械执行计算的机器

□1）基于数学，尤其是数字相关的数学

＞机械计算机均采用十进制计数及四则运算法则

•差分机将复杂的函数表运算转化成加法

□2）从已知（输入）推导出未知（输出）

＞机械计算机的输入和输出均为有限位数的十进制数

A机械计算机大多手工输入，也有穿孔卡片输入

A机械计算机的运算/推导过程不变、速度有限

口机械的“物理性质”决定了机械计算机“能力有限”

＞分析机伟大的设计最终无法采用机械来实现

Peking

15University

如何“飞跃”机械计算器

口什么是计算:

»分析机伟大的设计最终无法采用机械来实现

借鉴分析机的图:计思路餐需屈实现!翔・

16塔涉University

图灵机的提出

□OnComputableNumbers,1937

＞这篇奠基之作其实是回答德国大数学家DavidHilbert在世

界数学家大会上提出的“23个数学难题”中的一个问题:

“是否所有的数学问题在原则上都是可解的”

＞图灵认为“有些数学问题是不可解的”

＞图灵机只是在这篇论文的一个脚注中顺便提出的

Endnotes

8.Itismostnaturaltoconstructfirstachoicemachine(§2)todothis.Butit

theneasytoconstructtherequiredautomaticmachine.Wecansupposethat

thechoicesarealwayschoicesbetweentwopossibilities0and1.Eachproof

willthenbedeterminedbyasequenceofchoicesz1,/2,zn(z1=0or1,72

=0or1,zn=0or1),andhencethenumber2〃+z-125+1+z225-2+...+

zn,completelydeterminestheproof.Theautomaticmachinecaniesout

successivelyproof1,proof2,proof3,....

尚弟i二ADZ1嗒

%今步University

什么是图灵机

读

写

磁

有限（q，q2,q§,q4.............）

头蟀

控制器

磁带

|o|o|oI1I1I1|o|o|oI1I1|o|o|o

-J

口图灵机的组成

条磁带：双向都可无限延长，被分为一个一个彼此独

立的方格，每个方格上有数字

»一个磁头：可以读出或改写磁带方格数字，可在方格之

间左右移动

»一个控制器：包含有限个数的状态，每个状态值都可以

改变

Peking

18University

什么是图灵机

读

写

磁

有限（q，q2,q§,q4.............）

头蟀

控制器

磁带

00011100011000

口图灵机的运算法则

»重复执行下列动作，直至遇到“停机”命令

>1）读出磁头指向的磁带方格的内容

>2）根据读出值和控制器内部状态，执行三种动作：改

写方格内容、移动磁头、修改状态

Peking

19University

图灵机小结

□图灵机组成：一条磁带+一个磁头+一个控制器

□图灵机程序：磁带内容+控制器状态+条件执行动作

＞表现为〈当前状态，当前符号，修改后符号，磁头移动方向,下一

状态〉五元组的集合

□图灵机计算能力强大：Church-TuringThesis

A图灵说：凡是可计算的函数都可以用图灵机来计算

AChurch说：任何计算，如果存在一个有效过程，它就能被

图灵机所实现

＞计算机程序就是某个可计算问题的一个有效过程

»只要时间足够长（即允许足

够的运算次数）和空间足够

磁带大（即磁带足够长），图灵

0Io""011OOO机可替代目前的任何计算机

OPekbis

20潦*University

如何实现图灵机

口图灵机实现的主要指标：

A时间上要求运算速度；空间上要求磁带容量

口图灵机实现的关键因素：

A物理上：磁带的方格数量和方格容量，磁头读写速

率和移动速度，控制器判断速率和状态变换速率

A数学上：一般而言，进制越大，所需存储空间越少,

运算次数越少

读

写

磁有限»只要时间足够长（即允许足

(qi,q2,q3,q4...............)

头

控制器i够的运算次数）和空间足够

磁带—大（即磁带足够长），图灵

0001110001100司机可替代司螂毋制计算机

J

212G&University

进制

□进制形式只是数值的表示形式

口任何十进制数X都可以表示为：

nrn

X=kn*1O+..+k0*10°+k_+.・,+k_m*1(r

基数为10,系数/数字kj€{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)

112

例：46.37(10)=4*10+6*10°+3*10■+7*10-

口任何二进制数B都可以表示为：

n-m

B=kn*2+...+k0*20+k_i*2T++k_m*2

基数为2,系数/数字kj€{0,1}

例:110110(2)=1*25+

1*24+0*23+1*22+1*21+0*2°=54(10)

Peking

22University

口进制的转换方法进制

A如果两个有理数相等，则两数的整数部分和小数部分

定分别相等

□十进制数转换成二/八/十六进制数

A整数转换用“除2/8/16取余法”

»小数转换用“乘2/8/16取整法”

□二/八/十六进制数转换成十进制数

＞把二/八/十六进制数写成2/8/16的各次幕之和的形式,

然后计算其结果

津Peking

23University

,例：将十邮弱融鲤虢盛示“二进制

余数

212640|低位

211320

2[660

2L33_1

2U0

2180

214_0昌)位

220

2CL1

即(264)io=(100001000)2

十进制整数转换为二进制整数采用”除2取余，逆序排列”法。具体做法是：用2

去除十进制整数，可以得到一个商和余数；再用2去除商，又会得到一个商和

余数，如此进行，直到商为一时为止，然后把先得到的隽魏作为二进制数的低

但有效位，后得到的余数作为二进制数的高位有效位，俵期觑鬻恭

进制

口对图灵机实现而言，二进制应该是最不理想的

A进制越小，表示同一个数值所需数字越多，存储

空间使用越多

二进制与八进制的对照：

000^0010^2100T4110^6

001^1011^3101^5111^7

二进制与十六进制的对照:

0000300100T41000T8llOO^C

00019101019510019911019D

0010920110^61010^AlllO^E

0011930111^71011今B1111-»F

*常用A,B,C,D,E,F作为“数字”葡谑。魏5

二密卡University

二进制算术运算(与十进制类似)

加法:0+0=0,0+1=1,1+1=10(进位)减法:0-00,1・1=0,0-1=1(借位)

例：(1101)2……(13)10例：(1101)2……(13)10

+十011)2……(11)1。・(10Cl)2……(lDio

(11000)2……(24)1。(0010)2……(2泉

乘法:0X0=0,0X1=0,1X1=1除法：1=1二1,0:1二1

例：(1101)2.......(13)100：0,1+0无意义

口对图灵机实现的运算速度要求而言，二进制也是最

不理想的

A不同进制的算术运算法则基本相同

A因此，进制越小，对于同一数值，需要运算的数

字越多，运算速度越慢

A但电子计算机采用二进制！为什么？

26弋篇^University

二进制的真正价值

□布尔代数（逻辑代数,1847年）

＞关于。和1的代数系统，用基础的逻辑符号系

统描述物体和概念

A逻辑运算：没有进位，按位运算

非，求反：一单操作数运算：1=00=1

与，逻辑乘：•或，逻辑加：+11010=00101

异或：©同或：

O1100111001

AB逻辑加逻辑乘异或同或•01101++1101

0000010100111101

011010

1010101100111001

111101㊉01101。01101

1010001011

27

二进制的真正价值

□布尔代数（逻辑代数,1847年）

＞关于。和1的代数系统，用基础的逻辑符号系

统描述物体和概念

A逻辑运算：没有进位，按位运算

□开关电路实现电子化布尔代数运算

A1938年香农在MlT的硕士论文《继电器与开关

电路的符号分析》

A首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明

布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路

来实现，进而明确地给出了实现加，减，乘」

除等运算的电子电路的设计方法

津Peking

28University

布尔电路小结

□布尔代数提出二进制的逻辑运算，基于逻辑运算可以

实现算术运算

口开关电路可以实现布尔代数的逻辑运算，进而实现算

术运算

口进制仅仅是数值的表现形式，可以互换，因此，布尔

电路可以实现通用的数值运算

□由于“电子”的快和小，使得布尔电路实现的计算快、

单位存储容量大，满足图灵机实现对运算速度和存储

空间的需要

□冯诺依曼结构：明确上述“推导”，给出参考实现，

解决一系列系统实现的关键技术问题

Peking

29University

现代计算机之父一冯・诺依曼

约翰.冯.诺依曼

-^g!-卡"Goe

JohnVonNeumann国乳+月代桃

1903〜1957

1945年，冯・诺依曼发表了著名的“关于EDVAC的

报告草案”。报告提出的体系结构一直延用至今，即

冯•诺伊曼结构。

个尴University

眸誓冯・诺依曼结构

口五大模块：借鉴分析机，给出图灵机各个部分的电子实现方式

口二进制：明确采用二进制作为各个部件工作和交互的基础

口存储程序原理：程序与数据一样存放在内存，极大简化实现

数据流典

输

备

片笛SB

控制器

Peking

31University

现代计算机

□全名：“通用电子数字计算机”

>GeneraI一PurposeDigitalComputer

»通用：计算机是一种通用信息处理设备，只要有合适的软

件，它能适用于各种专门用途。

>：是计算机硬件实现的物理基础，计算机的运行最终

都通过电子电路中的电流、电位等实现

A数字化：是计算机的信息表示方式。一切信息，无论原本

是数值、文字、图形、声音等，在计算机里都统一到二进

制的数字化表示上。数字化是计算机的一种基本特征，是

通用性的重要基础。

»计算机：这是一种做计算的机器。

Peking

University

计算机数据的单位

口位（Bit）：最小的数据单位

＞即二进制的一个数位

□字节（Byte,简写为B）：最常用的数据单位

A1个字节由8个二进制数位组成

1KB=1O24B=210B1KB=1024字节，的意思是“千”

iyfB=1024KB=210KB=220B=1024X1024B1MB=1024KB字节，“M”读“兆”。

1GB=1O24MB=21OMB=230B=1024X1024KB1GB=1024MB字节，“G”读“吉”。

1TB=1O24GB=21OGB=240B=1024X1024\ffi1TB=1024GB字节，T读“太”。

Peking

33University

从ENIAC到EDVAC

□ENIAC的缺点

>ENIAC还不是存储程序式的计算机

>编程是通过手工插接线的方式进行的

□EDVAC(ElectronicDiscrete

VariableAutomaticComputer)

□电子离散变量自动计算机

A1945年3月，计算技术的先驱冯•诺伊曼

(JohnvonNeumann)来至ij莫尔学院

Mauchly和Eckert进行1了两天讨论，投I

定了存储程序式的电子计算机的方案。方

案经冯・诺伊曼整理后于1945年6月发JohnvonNeumann

表—存储程序控制原理

>EDVAC于1952年制造完成

>EDVAC是世界上第一台存储程序计算机

>是所有现代计算机的原型和范本

计算机发展阶段和应用模式

口早期的计算机

＞手工计算器

＞机械计算器

＞计算机原型

□现代计算机

＞电子管计算机

＞晶体管计算机

A集成电路计算机

»超大规模集成电路

»未来的第五代

第一代计算机

口时间：20世纪40、50年代

□主要特点

A使用真空管存储数据

•真空管是一种控制真空中电子流

动的电子装置

•被设置为两个状态以表示0或1

•响应比机械快，但体积大、耗能

高、易烧坏

•ENIAC有18000个真空管，第一年

运行就替换了19000个口

口只能使用0/1进行编程

>111000000100101100110-

□只在少量军事领域或科学计算

中应用Peking

University

第二代计算机

□始于20世纪50年代后期

□主要特点

A使用晶体管存储数据

•晶体管由贝尔实验室于1947年发明

•功能与真空管类似，但更小、更便宜、功耗更少、更可靠

＞产生操作系统

•标准化的硬件资源管理

•但不可移植

＞产生高级编程语言

•Fortran,CoboI

口开始应用于商业领域

第三代计算机

口始于1965年

□主要特点

A使用集成电路

•集成电路可将成千上万的真空管或

晶体管压在一个单独的微型芯片上

CourtesyTexasInstruments

•1958年由德州仪器公司发明JackSt.ClairKilby

>操作系统可移植杰克基尔比

>C语言产生

口开始向更多个人用户应用发展

益常涉University

第四代计算机

□始于20世纪70年代

口主要特点

＞使用能大规模集成电路

A更快、更小、更便宜

□第一块微处理器是1971年制造的Intel4004

•2400个晶体管，计算能力与ENIAC相当

•但尺寸只有3毫米x2毫米

•而ENIAC尺寸为30米长，3米高

口计算机发展出现瓶颈

»硬件、软件全方位地出现瓶颈

＞第5代计算机正在酝酿中

量子计算机、生物计算机

广泛应用于个人计算

现代计算机的发展历史

第一代第二代第三代第四代

1946-19551956-19631964-19711972至今

主要元器件电子管晶体管中小规模集成大规模、超大规

电路模集成电路

运算速度几千次至几几万次至几几十万次至几几百万次至上亿

（每秒）万次十万次百万次次

支撑软件机器语言和FORTRAN.系列化计算机i现代操作系统、

汇编语言COBOL等高级产品数据库、网络软

语言件等

应用国防和科学+数值计算、+文字、图形图社会生活各个领

计算数据处理像处理域

O产.

40“京，Uiuversity

现代计算机的分类

口计算机可根据综合性能指标进行分类，性能指标通常包

括体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数

据存储容量、指令系统和设备、软件配置等等。按照性

能从弱到强,包括如下几类

A单片机

＞微型计算机

＞小型机

»大型机

»巨型机

&Peking

41University

现代计算机的分类

口单片机

＞单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。包括：CPU、内存、

内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、

定时器，实时时钟等外围设备

A单片机可以直接嵌入设备当中，例如：手机、电话、摄像机、计算器、电

饭煲、电冰箱等家用电器、超声诊断等医疗设备、电子玩具、掌上电脑以

及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机

＞单片机的特点是：功耗低、体积小、专用化

42University

现代计算机的分类

□微型计算机

>以微处理器（micro-processor）为中央处理单元组成的个人计算机。主

要有桌面电脑（即台式机Desktop）、笔记本电脑（Laptop）、个人数字

助理（PDA）、平板电脑等

>微型计算机的特点是：方便个人使用、通用性强、价格相对低、省电

>1971年，美国Intel公司成功地在一块芯片上实现了中央处理器的功能，

制成了第一片4位微处理器，并由它组装成第一台微型计算机

»1977年，美国苹果公司推出了AppleII电脑，是第一款配备鼠标的商用计

算机，也是历史上销量最好的电脑（700万台）

»1981年，美国IBM公司采用Intel微处理器芯片，推出IBMPC微型计算机

>一些主流的微处理器芯片：IntelAMD

431977年的Jobs

现代计算机的分类

□小型机

＞为多用户执行任务,在中小企业广泛应用，用于工业自动控制、

数据采集、分析计算、企业管理等领域

口大型机

A通用，有极强的综合处理能力，主要应用于大银行、政府部

门、大型制造厂家等

现代计算机的分类

口巨型机

＞包含几千到几万个处理器，运算速度最快、性能最高、技术最复杂，常用

于解决科技领域中某些带有挑战性的问题，应用于核武器、反导弹武器、

空间技术、大范围天气预报、石油勘探等

＞巨型机的研制属于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平

和综合国力的重要标志

NEC巨型机IBM的ASCI白色：CPU由8000多我国研发天河一号每秒钟1206

运算速度25.9万亿/秒个处理器组成，内存6T(6万万亿次的峰值速度，和每秒

亿)字节，硬盘160T字节，用563.1万能次ck实测性能,

于模拟核爆炸(1TB=1O3GB)

451-1

眸暮再看冯・诺依曼结构

口五大模块：借鉴分析机，给出图灵机各个部分的电子实现方式

口二进制：明确采用二进制作为各个部件工作和交互的基础

口存储程序原理：程序与数据一样存放在内存，极大简化实现

数据流典

输

备

片笛SB

控制器

46所有的现代计算机都遵循冯・诺依蔓露野ity

现代计算机的典型内部结构

输入设备

西驿Peking

W常University

冯・诺依曼结构基本原理

口存储程序原理

＞将数据以及用来处理数据的一系列程序指令同时存入计算机

中，让计算机自动地按程序的指令进行一系列操作

A什么是程序（Program）?

A程序（Program）是为解决某一问题而选用的一条条有序指令

的集合开始

CPU从内存中读取一条指令

I

CPU执行该指令

I

程序执行完？

I是

收Peking

48结束程序执行University

冯•诺依曼计算机工作原理

口程序和指令

A煲令(Instruction)是计算机能识别并能执行的基本操作命

＞指令构成:操作码地址码

A操作码指明该指令要完成的操作，如加、减、乘、除。

＞地址码是指参加运算的数据所在的地址

ADDA,[6]

码地址码

该指令表示将寄存器A中的内容和存储器中的［6］号存储单元

的内容相加，再将结果放回到寄存器艘±Peking

49?窸占University

冯•诺依曼计算机工作原理

口输入-＞处理-＞输出+存储

＞将各种信息变为计算机能识别的相应的数字序列一输入

＞将这些数字序列按程序指定的处理方式进行运算一一处理

＞将处理结果按一定的方式输出一输出

＞存放有关的数据以便进行处理——存储

»换言之，计算机是一种能接受输入、处理数据、存储数据并

产生输出的自动化装置

Peking

50University

冯•诺依曼计算机工作原理

口输入-＞处理-＞输出+存储

»将各种信息变为计算机能识别的相应的数字序列一输入分

输入设备

＞将这些数字序列按程序指定的处理方式进行运算~一处理今

中央处理器（控制器+运算器）

»将处理结果按一定的方式输出一输出今输出设备

＞存放有关的数据以便进行处理——存储）存储设备

A换言之，计算机是一种能接受输入、处理数据、存储数据并

产生输出的自动化装置

Peking

51University

冯•诺依曼计算机工作原理

口输入设备主要功能

输入设备用于从计算机外部将数据、命

令输入到计算机的内部，供计算机处理。

常用的输入设备有键盘、鼠标器、磁盘

驱动器、磁带机、光笔、CDROM驱动器、

扫描仪、数字化仪、摄像机、触摸屏

运算器

控制器

Peking

University

冯・诺依曼计算机工作原理

口控制器的主要功能

控制器负责从存储器中逐条取

出指令、分析指令，并按指令

要求发出相应的控制信号指挥

各执行部件工作

&Peking

53University

冯•诺依曼计算机工作原理

口运算器的主要功能

存储器

」外在催黑

运算器是计算机中进行算术运

算和逻辑运算的单元

运算器

控制器

&Peking

54University

冯•诺依曼计算机工作原理

口存储器的主要功能

存储器的主要功能是用来存放各

—………类程序和数据信息。常见的存储

存储器设备包括内存、硬盘、u盘、闪

外盘、迅盘等

输

出

内存储器设

备

运算器

控制器

天，Peking

55University

冯•诺依曼计算机工作原理

口输出设备的主要功能

输出设备用以将计算机处理后的结果信

息，转换成人们能够识别和使用的数字、

文字、图形、声音、电压等信息形式。

常用的输出设备有显示器、磁盘驱动器、一

打印机、绘图仪、音响设备和投影仪等输

控制器

56卷亨簿舞sity

“冯・诺依曼结构”的主要特点（续）

「计算机应由运算器、］「指令和数据均以二/

控制器、存储器、输制代码形式不加区别

入设备和输出设备共地存放在存储器中，

5个部分组成运算器存放位置由存储器的

地址指定

数

输入设备.存储器输出

程序和结果输

数据输地山____

址计算机在工作时，

控制器能够自动地从存储

器中取出指令加以

执行

Peking

University

黎!计算机执行指令的重点：CPU和存储器

I输出设备

输入设备

Peking

University

计算机执行指令的主要步骤

•控制器将指令的地址送往存储器，存储器按给

取指定的地址读出指令内容，送回控制器

译码•控制器分析指令的操作性质，向CPU内部有关

部件发出指令所需要的控制信号

•控制器从CPU内部通用寄存器或存储器取出操

执行作数，命令运算器进行指令规定的运算

University

执行指令示例

口指令格式：ADDA,[6]指令本身也是以二进制

口指令功能：的形式存放在存储器中

CPU中存储器中

通用寄存器A地址为6的存储单元=运算结果

的内容,I的内容J

+y

t更新

假设：

通用寄存器A的内容为〃3〃，存储单元[6]的内容为〃2〃

则：

该指令执行完成后，通用寄存器A的内容为〃2+3〃的结果〃5〃

O对1唱-

%公,Umversitty

存储器的组织形式

地址：每个存储单元对内容：存储单元中存放的

应的序号I二进制信息（指令或数据）

存储器地址存储器内容

00001100

00100010

00000000

01101101

*存储器通常按字节为单元进行划分

Peking

此部密讲更律壁曾蛙俊林老师

羊干在萱和羊壬三白々米

大于1T导少儿.程序计数器pc：

3一条指令的位置

计算机（餐馆）

指令寄存器IR：

保存当前指令的

存储器（仓库）

二进制编码1

、一XI口口

地址2

控制器

地址1二啊CPU

牙房）

他址

地址0AAB

数据通用寄存器（临时盘）

（指令（任务单）

取指译码执行回写第一步

取回指令后更新

程序计数器PC

AB

通用寄存器（临时盘）

Peking，-

瑞浮University

取指译码执行回写第二步

程序计数器

操作：加法ADDA,[6]PC

源操作数：存储器地址6、通用寄存器A①取操作数[6]

目的操作数：通用寄存器A②取操作数A

③执行加法

存储器