1.3 计算机系统工作原理和组成
1.3.1 计算机的工作原理
著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼在总结前人研究的基础上，于1946年提出了“存储程序式计算机”方案，从而使计算机实现了自动化。存储程序的工作原理是：在计算机中设置存储器，将程序和数据存放到存储器中，计算机按照程序指定的逻辑顺序依次取出存储器中的内容进行处理，直到得出结果。
由此可见，要利用计算机来处理某些问题时，首先要制订该项任务的解决方案，再将其分解成计算机能够识别并可以执行的基本操作指令，这些指令按一定的顺序排列起来，就组成了程序（Program）。计算机按照程序规定的流程依次执行存放在存储器中的一系列指令，最终完成程序所要实现的目标。
所谓指令（Instruction）是指计算机完成某一种操作的命令。一条指令就是计算机机器语言的一个语句，它一般包括操作码和地址码两部分，如图1.1所示。操作码（OP，Operation Code）用来表征一条指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作；地址码（AC，Address Code）规定操作数的值或地址、操作结果的地址及下一条指令的地址等。地址码部分的地址可能不止一个，也可能没有。
图1.1 指令的组成格式
一条指令的执行过程一般可分为取指令（Fetch）、分析指令（Decode）、执行指令（Execute）3个阶段。一系列指令的执行过程实际上就是在不断重复上述3个阶段的过程，如图1.2所示。
图1.2 指令的执行过程
一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合叫做这台计算机的指令系统。指令系统与计算机的硬件系统密切相关，它是根据计算机使用要求设计的，一旦确定了指令系统，硬件上就必须保证指令系统的实现，因此，指令系统是设计一台计算机的基础，它决定了计算机硬件的主要性能和基本功能。一台计算机的指令系统按其功能可以分成以下5类。
① 数据传送类指令：主要用于向寄存器、存储器传送数据。
② 数据处理类指令：主要完成算术运算和逻辑运算等。
③ 程序控制类指令：主要用于控制程序的执行方向。
④ 输入与输出类指令：主要用于实现主机与外部设备之间的信息交换。
⑤ CPU控制和调试指令：主要用于实现系统的控制。
“存储程序工作原理”是当代计算机结构设计的基础，它使计算机的自动运算成为可能，是计算机与所有其他手算工具的根本区别。虽然计算机技术发展很快，但“存储程序工作原理”至今仍然是所有计算机都采用的基本工作原理。因此，人们把现代电子计算机叫作冯·诺依曼式计算机。
1.3.2 计算机系统组成
计算机系统（Computer System）是由计算机硬件系统和计算机软件系统两部分组成的。计算机硬件系统（Hardware System）也称硬设备，是指由电子线路、元器件和机械部件等构成的具体装置，是看得见、摸得着的实体，是计算机系统的物质基础。计算机软件系统（Software System）是指在计算机中运行的程序及其使用的数据和相应文档的集合，是看不见、摸不着的，但可以感觉到它的存在，它是发挥计算机硬件功能的关键。硬件是软件建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂。没有配置任何软件的计算机叫裸机（Bare Machine），在裸机上只能运行机器语言源程序。它不能供用户直接使用，也无法实现其自身的价值。而没有硬件对软件的支持，软件的功能就得不到体现。因此，硬件和软件是相辅相成、缺一不可的，硬件和软件相结合才能充分发挥计算机系统的功能。
用户与计算机软件系统和硬件系统的层次关系如图1.3所示。其中内核是硬件系统，是进行信息处理的实际物理装置，最外层是使用计算机的人，即用户。用户与硬件系统之间的接口界面是软件系统。当然，在计算机系统中硬件与软件的分界线有时也会发生变化。
图1.3 用户与计算机软件系统和硬件系统的层次关系
1．计算机硬件系统
依照存储程序的工作原理，计算机的工作方式应该有两个基本能力：一是能够存储程序和数据，二是能够自动地执行程序。于是，计算机中必须有一个存储器，用来存储程序与数据；有一个计算器，用以执行指定的操作；有一个控制部件，以便实现自动操作；还要有输入部件和输出部件，以便输入原始数据、程序和输出计算结果。
由此可见，计算机的硬件系统一般由5个基本功能部件组合而成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图1.4所示。
其中，运算器（Arithmetic Unit）是计算机中执行各种算术运算和逻辑运算的部件，也叫算术逻辑部件（ALU，Arithmetic Logic Unit）；控制器（Control Unit）是计算机的神经中枢和指挥中心，是指挥整个计算机各功能部件协调一致动作的部件；存储器（Memory）是计算机中具有记忆功能的部件，用于存储程序和数据，分为主存储器和辅助存储器；输入设备（Input Device）是用于将程序和数据输入到计算机中的设备，如键盘、鼠标等；输出设备（Output Device）是用来将计算机处理的结果进行表示的设备，如显示器、打印机等。
图1.4 计算机硬件系统的基本组成结构
通常将运算器和控制器合起来称为中央处理器（CPU，Central Process Unit），CPU是计算机硬件的核心部件，计算机的性能主要取决于CPU。
2．计算机软件系统
软件是各种程序及其文档的总称。软件使用户不用直接面对机器，也可以不必了解计算机本身的内部构造，即可方便有效地使用计算机。也可以说，软件是用户与机器的接口。软件一般分为系统软件和应用软件两类。
（1）系统软件
系统软件是指维持计算机系统正常运行和支持用户运行应用软件的基础软件，包括操作系统、语言处理程序、编辑程序与连接装配程序、调试程序、测试程序、诊断程序、监控程序等。
（2）应用软件
应用软件是指用户为了解决各种实际问题而开发和研制的软件，它在系统软件的支持下运行。由于计算机已渗透到了各个领域，因此应用软件是多种多样的。目前，常见的应用软件有：文字处理、电子表格、课件制作、图形及图像处理、网络通信等软件（如Word、Excel、PowerPoint、Photoshop、E-mail等），以及游戏软件和其他用户程序（如工资管理程序、人事管理程序、财务管理程序等）。