數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成詳解

數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成詳解
　　
　　用一個(gè)算盤，一張紙，一支筆來計(jì)算y=ax+b-c這個(gè)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(jì)算中用到了：
　　
　　1）紙：用于存儲(chǔ)解題的原始信息；
　　
　　2）算盤：用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)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(yùn)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(jì)算機(jī)也需要相應(yīng)部件：
　　
　　運(yùn)算器：在計(jì)算機(jī)中相當(dāng)于算盤功能的部件；
　　
　　存儲(chǔ)器：在計(jì)算機(jī)中相當(dāng)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(dāng)于筆，把原始解題信息送到計(jì)算機(jī)或把運(yùn)算結(jié)果顯示出來的設(shè)備；
　　
　　控制器：相當(dāng)于我們的大腦，能夠自動(dòng)控制整個(gè)計(jì)算過程。

1.運(yùn)算器
　　
　　運(yùn)算器就好比一個(gè)由電子線路構(gòu)成的算盤，能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算?？紤]到電子器件的特性，計(jì)算機(jī)中通常采用二進(jìn)制數(shù)。這是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡單，在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)備也最省。
　　
　　二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)一樣，在運(yùn)算中，當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí)，計(jì)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長度一般是8位、16位、32位或64位。
　　
　　2.存儲(chǔ)器
　　
　　存儲(chǔ)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(yùn)算前把參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和解體步驟通過輸入輸出設(shè)備送到存儲(chǔ)器中保存起來。 不論是數(shù)據(jù)，還是解題步驟，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的全是0或1表示的二進(jìn)制代碼。 目前采用半導(dǎo)體器件來作為存儲(chǔ)器。一個(gè)半導(dǎo)體觸發(fā)器可以記憶一個(gè)二進(jìn)制代碼，一個(gè)數(shù)假定用16位二進(jìn)制代碼表示，那么就需要有16個(gè)觸發(fā)器來保存這些代碼。
　　
　　存儲(chǔ)單元：在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)數(shù)的16個(gè)觸發(fā)器，稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。
　　
　　地址：存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號，稱為地址。
　　
　　存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB”表示，如64KB，128MB。存儲(chǔ)容量越大，表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息就越多。
　　
　　外存儲(chǔ)器：計(jì)算機(jī)中又配備的存儲(chǔ)容量更大的磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等。相對而言，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存。
　　
　　3.控制器
　　
　　控制器是計(jì)算機(jī)中發(fā)號施令的部件，它控制計(jì)算機(jī)的個(gè)部件有條不紊地進(jìn)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(jì)算程序
　　
　　運(yùn)算器只能完成加、減、乘、除四則運(yùn)算及其他一些輔助操作。對于比較復(fù)雜的算題，計(jì)算機(jī)在運(yùn)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(gè)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(jì)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(gè)解題步驟就是一個(gè)簡單的計(jì)算程序。

（2） 指令的形式
　　
　　每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器，從存儲(chǔ)器的那個(gè)單元取數(shù)，并進(jìn)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(jìn)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(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取，運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)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(jìn)制代碼。假如把地址碼部分和數(shù)據(jù)也換成二進(jìn)制數(shù)，那么整個(gè)存儲(chǔ)器的內(nèi)容全部變成了二進(jìn)制的代碼或數(shù)據(jù)。
　　
　?。?）控制器的基本任務(wù)
　　
　　計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，指令必須是按一定的順序一條接一條地進(jìn)行?？刂破鞯幕救蝿?wù)，就是按照計(jì)算程序所排的指令序列，先從存儲(chǔ)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(jìn)行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。接著從存儲(chǔ)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(shí)間叫做取指周期，而把執(zhí)行指令的一段時(shí)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(jì)數(shù)器就加1，從而為取下一條指令做好準(zhǔn)備，這也就是指令為什么在存儲(chǔ)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(gè)二進(jìn)制數(shù)字，所以使用“位”（bit）作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位。CPU向存儲(chǔ)器送入或從存儲(chǔ)器取出信息時(shí)，用B（字節(jié)）和W（字）等較大的信息單位來工作。一個(gè)“字節(jié)”由8位二進(jìn)制信息組成，而一個(gè)“字”則至少由一個(gè)以上的字節(jié)組成。通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)叫做字長。
　　
　　計(jì)算機(jī)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(jìn)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(yùn)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(biāo)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(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式。輸出設(shè)備的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器所能接收和識別的信息形式。如激光印字機(jī)、繪圖儀、CRT顯示器等。計(jì)算機(jī)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(jī)相連接，而是通過適配器部件與主機(jī)相連接。適配器的作用相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。