硬件组成

现代计算机的硬件组成主要依据下图这位大神-冯·诺依曼的思想设计的。

冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

简要叙述计算机工作原理(计算机组成原理很复杂)(1)

冯·诺依曼

它主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五部分组成

结构示意如下图,原理远比其复杂,本篇只是为了简单介绍就使用了如下简略图

简要叙述计算机工作原理(计算机组成原理很复杂)(2)

工作过程简述
  1. 用户将程序通过输入设备输入计算机,并保存至存储器中
  2. 用户启动程序
  3. 程序启动后,计算机将程序对应的指令逐条送至控制器
  4. 控制器依据指令生成相应的控制信号或者将相应的数据送至运算器
  5. 运算器依据控制信号完成特定运算,并将结果存储至存储器
  6. 运算结果通过输出设备(显示器、打印机等)进行结果展示
数据传输

计算机中在传输中使用二进制,即只有1和0

数据的编码和进制

数据编码

计算机将现实世界中的数据按类型分为以下大类和小类

简要叙述计算机工作原理(计算机组成原理很复杂)(3)

  1. 不论是何种数据均以二进制的形式保存
  2. 机器数和真值

机器数 :一个数字在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符号的。

真值: 现实时间中人们直接书写表述的数

原码

原码就是符号位加上真值的绝对值,即用第一位表示符号,其余位表示值。比如:如果是8位二进制:

[ 1]原= 0000 0001

[-1]原= 1000 0001

第一位是符号位,因为第一位是符号位,所以8位二进制数的取值范围就是:(即第一位不表示值,只表示正负。)

[1111 1111 , 0111 1111]

[-127 , 127]

原码是人脑最容易理解和计算的表示方式。

反码

反码的表示方法是:

正数的反码是其本身;

负数的反码是在其原码的基础上,符号位不变,其余各个位取反。

[ 1] = [0000 0001]原= [0000 0001]反

[-1] = [1000 0001]原= [1111 1110]反

可见如果一个反码表示的是负数,人脑无法直观地看出来它的数值。通常要将其转换成原码再计算。

补码

补码的表示方法是:

正数的补码就是其本身;

负数的补码是在其原码的基础上,符号位不变,其余各位取反,最后 1。(也即在反码的基础上 1)

[ 1] = [0000 0001]原= [0000 0001]反= [0000 0001]补

[-1] = [1000 0001]原= [1111 1110]反= [1111 1111]补

对于负数,补码表示方式也是人脑无法直观看出其数值的。通常也需要转换成原码再计算其数值。

数据的编码

数值类数据,将它们转为二进制比较容易。定点数采用进制转换,浮点数采用科学计数法来进行转换表达。

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科学计数法示例

非数值类数据 ,由于计算机最开始由美国人发明,所有他们采用ASCII编码就可以表示所有的英文字母和常用符号。但是汉字是表意文字每个字都有必须有唯一的编码,所有中国为了使得汉字能输入计算机和被识别发明了GB系列编码格式。后来加入的国家越来越多,又才用了Unicode编码它有更多的容量可以将包含全世界所有语言的文字,所有现在是主流的编码方式。

中央处理器的主要组成

运算器组成:

控制器组成:

总线:

计算机软件和硬件组成示意图如下

简要叙述计算机工作原理(计算机组成原理很复杂)(5)

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