1.3 计算机的基本工作原理

1946年6月美籍匈牙利数学家冯·诺依曼与同事在美国完成了《关于电子计算机装置逻辑结构设计》的研究报告，介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想，提出了以二进制代替十进制、采用存储程序工作方式、计算机由5大部件组成等基本思想，为现代计算机的研制奠定了基础。到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一结构，称为冯·诺依曼结构。因此冯·诺依曼被人们誉为“计算机之父”。

1.3.1 冯·诺依曼的基本思想

冯·诺依曼计算机的主要特点描述如下。

1.采用二进制表示数据和指令

二进制数由两个不同的符号“1”、“0”组合表示。数据和指令在代码的外形上没有区别，都是由“1”和“0”组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制便于电子器件的实现，运算规则简单，抗干扰能力强，可靠性高。二进制的“1”、“0”正好与逻辑推理中的“真”、“假”相对应，便于计算机进行逻辑运算。数字技术就是用“1”和“0”来表示、处理、存储、传输信息的技术，便于信息数字化。

2.存储程序工作方式

存储程序工作方式是冯·诺依曼思想的核心内容。所谓存储程序工作方式，就是将事先编制好的程序（包含指令和数据）存入内存中，计算机在运行程序时自动、连续地从内存中依次取出机器指令并解释执行（对内存中的存储单元进行一维线性编址，按照存储单元地址存取指令，从内存中逐条取出指令并且串行执行），直至程序执行结束。这也是计算机能够高速自动运行的基础。

3.计算机由5大部件组成

计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备组成，使用总线将5大部件连接在一起，并且规定了5大部件的功能。

根据冯·诺依曼存储程序的工作方式，在现实世界中的某一问题，只要可以提出解决该问题的相应算法，并且编制出有效的计算程序，就可以在计算机中求解。但是现实世界中还有些问题找不到有效算法，对此计算机就显得无能为力了。人们一直试图突破冯·诺依曼计算机的模式，使计算机具有学习、推理、联想等能力，达到智能化，帮助人类开拓未知的领域和获取新的知识。

1.3.2 计算机的工作过程

计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序是一个特定的指令序列，在计算机工作时，它告知计算机要做哪些事，按什么步骤去做。因此，人们事先将编制好的程序和原始数据，通过输入设备存放在存储器中，然后计算机从存储器中逐条取出指令，并且分析指令，产生相应的控制信号，控制计算机各部件完成指令所规定的操作，最终结果由输出设备输出。

再看一看人工求解问题的过程。对于一般的问题，通常先找到解决问题的方法，然后通过计算工具进行计算，并将结果记录下来。通过这个过程可以看到，计算工具相当于计算机的“运算器”，将求解问题的题目记录在纸上的“笔”相当于计算机的“输入设备”，“纸”相当于计算机的“存储器”，将计算结果记录在纸上的“笔”又相当于计算机的“输出设备”，而思考解决问题方法的大脑相当于计算机的“控制器”。

例如，计算y＝a＋b（设a、b为已知的两个数，y用来存放运算结果），程序员首先将该问题分解成若干步骤，再编写出程序。分解步骤如下：

第1步：取出a；

第2步：取出b；

第3步：执行a＋b；

第4步：将运算结果送y；

第5步：结束。

将上述1～5步分别用机器指令来描述，再将指令按照一定的顺序排列起来就是程序。

1.3.3 计算机的主要性能指标

1.机器字长

机器字长是指CPU一次能够处理二进制数据的位数，它标志着计算机的计算精度。机器字长越长，计算精度越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。倘若CPU字长较短，又要运算位数较多的数据，那么需要经过两次或多次的运算才能完成，这样势必影响整机的运行速度。机器字长还决定了寄存器、运算器和数据总线等部件的位数，因此它直接影响到硬件的价格。为了协调计算精度与机器价格之间的关系，往往采用变长的方法以适应不同需要，许多计算机允许半字长、双字长等可变字长的运算。现代计算机的机器字长一般都是8位的整数倍，如16位、32位、64位和128位等，即字长由2字节、4字节、8字节或16字节组成，所以也可用“字节”来表示机器字长。

2.内存容量

内存的存储单元个数之和被称为内存容量，而存储单元的编址方法可以以“字（Word）”为单位，也可以以“字节（Byte）”为单位。一般情况下，计算机的内存容量是以“字节”为单位进行编址的。如果存储单元的地址码用16位二进制表示，那么其内存容量为216B，习惯上将210＝1024称为1K，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB＝1024GB，因而216B是64KB。计算机的内存容量越大，所存储的信息就越多，处理问题的能力就越强。

3.运算速度

计算机的运算速度与许多因素有关，如计算机的主频、执行什么操作、内存的工作速度等。计算机执行不同的机器指令需要不同的时间，通常用执行各种指令的平均时间来描述运算速度，现在一般采用MIPS（Million Instruction Per Second）作为运算速度的计量单位，其含义是每秒执行100万条指令，10MIPS就是每秒执行1000万条指令。对于相同类型的计算机，可以用CPU的时钟频率来比较它们的运算速度，频率越高，执行每个操作的时间越短，计算机的运算速度就越高。

4.外围设备的配置

指在计算机结构上允许配置外部设备的最大数量，以及外围设备的常规配置及可扩充配置的情况。

5.系统软件的配置

指计算机系统允许配置的系统软件种类，例如操作系统的功能及其系统的支撑软件、高级语言的种类和必要的应用软件等。

6.性能价格比

这是衡量计算机性能的一项综合指标。因为既要考虑计算机的性能（如计算机的系统结构、硬件组成、外设配置、软件种类等），又要考虑计算机的价格，性价比的值大，表明计算机的性能好而价格低。每一个用户都希望性价比大。

7.可靠性、可用性和可维修性

可靠性、可用性和可维修性也是计算机系统的重要指标。可靠性用故障平均间隔时间来衡量，即计算机系统有效使用时间/故障次数；可用性是指计算机系统有效使用时间/（有效使用时间＋故障修复时间）；可维修性用故障修复的平均时间来衡量。