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计算机基本工作原理是什么?

在介绍计算机的工作原理之前,首先了解一下什么是计算机指令。

简单的理解,指令指的是能被计算机识别并执行的二进制代码,它规定了计算机能够完成的某一种操作。一条指令通常由 2 部分组成,分别是操作码和操作数,整条指令的结构如图 1 所示。


图 1 指令的构成

其中,操作码和操作数所表示的含义,分别是:
  • 操作码:用于指明该指令要完成的操作,如存数、取数等。操作码的位数决定了一个机器指令的条数。当使用定长度操作码格式时,若操作码位数为 n,则指令条数可有 2n 条。
  • 操作数:用于表示操作对象的内容或者所在的单元格地址。在大多数情况下,操作数是地址码(有0~3位)。需要注意的是,从地址代码得到的仅是数据所在的地址,既可以是源操作数的存放地址,也可以是操作结果的存放地址。

大致了解计算机指令的含义和用法之后,接下来讲解计算机的工作原理。

计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。计算机在工作时,共有两种信息在流动,一种是数据流,另一种是控制流。
  • 数据流是指原始数据、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,用于指挥各部件之间协调地工作。

下面通过分析的指令的执行过程,来使读者能够清楚地认识计算机的基本工作原理。计算机的指令执行过程可分为如下几个步骤:
  1. 取指令:从内存储器中取出指令送到指令寄存器。
  2. 分析指令:对指令寄存器中存放的指令进行分析,由译码器对操作码进行译码,将指令的操作码转换成相应的控制电信号,并由地址码确定操作数的地址。
  3. 执行指令:它是由操作控制线路发出的完成该操作所需要的一系列控制信息,以完成该指令所需要的操作。
  4. 为执行下一条指令做准备:形成下一条指令的地址,指令计数器指向存放下一条指令的地址,最后控制单元将执行结果写入内存。

上述步骤执行完毕后,也就执行完成了一条指令。一条指令的执行过程称为一个“机器周期”。指令的执行过程如图 2 所示。


图 2 指令的执行过程

计算机在运行时,CPU 从内存读取一条指令到 CPU 内执行,指令执行完毕,再从内存读取下一条指令到 CPU 执行。CPU 不断地读取指令、分析指令、执行指令,再读取下一条指令,这就是程序的执行过程。

总之,计算机的工作就是执行程序,即自动连续地执行一系列指令,而程序开发人员的工作就是编制程序,使计算机持续地工作。

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