计算机的工作原理

xiaoxiao2021-02-28  22

计算机的基本原理存储程序程序控制预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列(称为程序)和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数,进行什么操作,然后送到什么地址去等步骤。

简单来说,计算机工作的过程实际上是快速执行指令的过程。

所以先来了解什么是指令,以及什么是指令系统。

在上一篇博客 计算机硬件系统(二)—计算机的主要性能指标 中提到过指令系统,此处只说指令。

计算机指令是能被计算机识别并执行的二进制代码组合,它规定了计算机能完成的某一种操作。

一条指令通常由操作数操作码两部分组成。

操作码决定要完成的操作。操作码的位数决定了一个机器操作指令系统的指令条数。当使用定长操作码格式时,若操作吗位数是n,则指令条数有2的n次方条。

操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。操作数在大多数情况下是地址码,地址码可以有0~3个。

在计算机中,操作要求和操作数地址都由二进制数码表示,分别称作操作码和地址码,整条指令以二进制编码的形式存放在存储器中。

准备工作做好之后,现在开始说一说计算机的工作原理。

基本原理:

计算机在运行时,先从内存中取出第一条指令,通过控制器的译码,按指令的要求,从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工,然后再按地址把结果送到内存中去。接下来,再取出第二条指令,在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。 程序与数据一样存贮,按程序编排的顺序,一步一步地取出指令,自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的,故称为 冯.诺依曼原理

详细的说,当计算机在工作时,有两种信息流在执行指令的过程中流动,即数据流控制流

数据流指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。

控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令,指挥各部件协调地工作。

指令的执行过程分为以下4个步骤:

取指令:按照程序计数器中的地址(如0100H),从内存器中取出指(如070270H),并送往指令寄存器;分析指令:对指令寄存器中存放的指令(070270H)进行分析,由译码器对操作码(07H)进行译码,将指令的操作码转换成相应的控制电位信号;由地址码(0270H)确定操作数地址;执行指令:由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息,去完成该指令所要求的的操作。例如做加法指令,取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加,结果还是放在累加器;一条指令执行完成,程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器,然后回到第(1)步继续执行。

一般把计算机完成一条指令所花费的时间成为1个指令周期,指令周期越短,指令执行越快。

通常所说的CPU主频或称为工作频率,就反映了指令执行周期的长短。

计算机在运行时,CPU从内存读出一条指令送到CPU内执行,指令执行完,再从内存读出下一条指令送到CPU内执行。CPU不断的取指令、分析指令、执行指令,这就是程序的执行过程

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