2.2 计算机基本原理

2.2.1 计算机系统的逻辑结构

说到计算机系统，人们首先想到的是，一个由各种电子和机械装置组成的复杂系统。这些电子和机械部件会在程序和数据驱动下完成人们交给计算机系统的各种运算、管理任务。可见，一个完整的计算机系统可说是由两部分组成：一部分即组成计算机系统的各种电子和机械装置。它们是计算机系统完成各种任务所依赖的物质基础，通常被称做计算机系统的硬件子系统。另一部分即驱动硬件子系统完成各种运算、管理任务的程序和数据，通常被称为计算机系统的软件子系统。在计算机系统中，硬件子系统与软件子系统必须相互配合才能工作，两者缺一不可。这是计算机系统区别于日常生活中其他系统的一个重要特征，也是计算机系统能够面向广泛应用领域的原因所在。

从硬件的角度看，现代计算机一般被认为由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成。由于冯·诺伊曼在现代计算机的研究中贡献卓著，由上述五个部件组成的计算机也被称为冯·诺伊曼机，其逻辑结构可用图2-2来描述。

图2-2 现代计算机的逻辑结构

从图2-2中可以看出，在现代计算机中处于核心地位的部件是控制器，它是整个计算机硬件系统的指挥和协调装置。控制器可以在指令的控制下，指挥其他计算机部件协同完成用户交予计算机完成的任务。运算器是计算机系统中的另一个核心部件；顾名思义，它是计算机系统中对信息进行加工和处理的部件。运算器可以在控制器的指挥下，完成各种诸如加、减、乘、除之类的算术运算以及与（and）、或（or）、非（not）这样的逻辑运算。正因为如此，运算器的核心部件被称为算术逻辑单元（arithmetic and logic unit, ALU）。存储器是计算机系统中用来存储的部件，其中既可保存计算机处理的各种数据，也用来保存指挥控制器工作的各种指令。在现代计算机系统中，输入和输出设备则构成了计算机系统的对外接口。其中，输入设备负责把用户提供的程序和数据转换成计算机可以处理的电信号，供计算机的控制器和运算器进行处理，典型的包括键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备则负责把计算机的内部处理结果以用户可以理解的方式输出，常用的包括显示器、打印机、绘图仪等。

在现代计算机中，用户经由输入设备将控制计算机工作的指令和计算机要处理的数据输入计算机，并将这些指令和数据存储在计算机的存储器中。在控制器的指挥下，这些存储器中的指令被取出，并被进一步用于控制运算器完成用户所希望进行的各种运算，运算结果被保存在存储器中或经输出设备输出给用户。

由于控制器和运算器在整个计算机系统中处于核心地位，通常也合称为中央处理单元（central processing unit, CPU）。在一些面向个人使用的微型计算机系统中，这两个部分经常被集成在一块集成电路芯片中，称为微处理器芯片。