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课 题

计算机的工作原理

教 学

目 标

1、知道计算机系统的组成

2、知道计算机系统的工作原理

教材分析

重点

计算机系统的工作原理

难点

计算机系统的工作原理

教具

教

学

过

程

为什么计算机能按照人们的意志，自动地完成各种各样的任务呢？这主要归功于计算机程序。计算机的工作过程就是执行程序的过程。

一、计算机系统的组成

计算机由硬件系统和软件系统组成，硬件中的五大基本部件承担着信息处理的任务。

1、输入设备：承担着信息输入、采集的任务，将各种信息转换为二进制数字后送入存储器。常见的输入设备有键盘、鼠标以及扫描仪、读卡器等。

2、输出设备：承担着信息的输出任务，将信息处理的结果以人们能够识别的形式(字符、图像、声音等)输送出来。常见的输出设备有显示器、打印机、喇叭、投影仪等。

3、存储器：承担信息的暂存或永久存储任务，常见的存储设备有内存(也称主存，用于暂存信息)，外存(也称辅存，用于长时间保存信息)，包括硬盘、软盘、光盘、优盘等。

4、运算器：承担逻辑运算任务。

5、控制器：通过发送信号指挥和控制计算机各个部件协同工作。

实际上运算器、控制器不是独立的部件，它们共同组成计算机的心脏----“中央处理器”(CPU)。

计算机的五大部件通过“总线”传递信息，计算机就是由以上的五大部件和总线构成的。如图2-5.1所示。

教

学

过

程

图2-5.1 计算机内的五大部件

二、计算机指令与程序

计算机根据人们预先设计的一串指令来自动地进行数据的计算和信息的加工处理，这一串指令就称为程序。

一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。由于计算机只能识别二进制数，所以指令也必须用二进制代码表示，这就是机器指令。

为了便于记忆和使用，人们发明了用英文字母和符号代表指令的方法，这就是汇编指令和汇编语言。后来计算机专家又发明了与我们日常使用习惯很接近的“高级”语言，常用的高级语言有：Pascal、C、Java等。汇编语言和高级语言都要由专门的程序“翻译”成机器指令，计算机才能识别并执行。例如，加法操作对应的指令：

机器指令

汇编指令

高级语言ADD C，A

C=C+A

【想一想】

我们在五年级学过的LOGO是高级语言吗？为什么？LOGO中是如何做加法的？

三、计算机工作原理

计算机的基本工作原理是存贮程序和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机程序及相关的数据，输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的指令，加以分析并执行规定的操作。这就是美籍匈牙利数学家冯.诺依曼在20世纪40年代计算机诞生的初期提出来的“程序存储”原理。

【知识拓展】计算机之父--冯·诺依曼

1945年6月，冯.诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念，被称为“冯.诺依曼结构”，按这一结构建造的计算机称为存储程序计算机(又称为通用计算机)。冯.诺依曼计算机主要由 运算器、控制器、存储器和输入 输出设备组成，它的的特点是：程序以二进制代码的形式存放在存储器中；所有的指令都是由操作码和地址码组成；指令在其存储过程中按照执行的顺序；以运算器和控制器作为计算机结构的中心等。直到目前，计算机仍是按照这个原理进行工作和加工处理信息的。

下面就以一个汇编语言程序在计算机中的运行过程来说明计算机的工作原理。例如，要求计算机实现将13和15相加，结果28放在CPU的累加器中。具体步骤如下：

1、编写程序

用3条汇编指令，就可以实现两个数相加。

LD A，DH ；将16进制数D(即13)送累加器A

ADD A，FH ；将16进制数F(即15)与累加器中的D相加

HALT ；暂停

想一想，执行了以上3条指令后，累加器A中存储的数是多少？

2、输入程序

将以上程序输入到计算机的内存中，并由汇编程序“翻译”成目标程序(机器指令)。见表2-5.1。

源程序

目标程序

说明

LD A，DH

表示“取数”操作

表示“操作数”13

ADD A，FH

表示“累加”操作

表示 “操作数”15

HALT

表示“暂停”操作

表2-5.1

目标程序占用00H～04H共5个存储单元，如图2-5.3所示。

目标程序代码

目标程序代码

图2-5.3程序存储及执行过程

3、执行程序

对照图2-5.3，程序执行过程大致如下：

第一步：CPU首先将第一条指令的地址00H存入指令计数器。

第二步：控制器发出取“指令”信号，从地址为00H的单元中