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第一篇计算机五大部件:计算机五大组成部分
计算机的组成部分及功能 由运算器，控制器，存储器，输入装置和输出装置五大部件组成计算机，每一部件分别按要求执行特定的基本功能。 ⑴ 运算器或称算术逻辑单元（Arithmetical and Logical Unit） 运算器的主要功能是对数据进行各种运算。这些运算除了常规的加、减、乘、除等基本的算术运算之外，还包括能进行“逻辑判断”的逻辑处理能力，即“与”、“或”、“非”这样的基本逻辑运算以及数据的比较、移位等操作。 ⑵ 存储器（Memory unit） 存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。由于记忆元件只有两种稳定状态，因此在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。 存储器是由成千上万个“存储单元”构成的，每个存储单元存放一定位数（微机上为8位）的二进制数，每个存储单元都有唯一的编号，称为存储单元的地址。“存储单元”是基本的存储单位，不同的存储单元是用不同的地址来区分的，就好像居民区的一条街道上的住户是用不同的门牌号码来区分一样。 计算机采用按地址访问的方式到存储器中存数据和取数据，即在计算机程序中，每当需要访问数据时，要向存储器送去一个地址指出数据的位置，同时发出一个“存放”命令（伴以待存放的数据），或者发出一个“取出”命令。这种按地址存储方式的特点是，只要知道了数据的地址就能直接存取。但也有缺点，即一个数据往往要占用多个存储单元，必须连续存取有关的存储单元才是一个完整的数据。 计算机在计算之前，程序和数据通过输入设备送入存储器，计算机开始工作之后，存储器还要为其它部件提供信息，也要保存中间结果和最终结果。因此，存储器的存数和取数的速度是计算机系统的一个非常重要的性能指标。⑶ 控制器（Control Unit）控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。 控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其它部分发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。因此，计算机自动工作的过程，实际上是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要部件。通常把控制器与运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit-CPU）。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即 CPU 芯片。它是计算机的核心部件。它的性能，主要是工作速度和计算精度，对机器的整体性能有全面的影响。⑷ 输入设备(Input device)用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫输入设备。输入设备把各种形式的信息，如数字、文字、图像等转换为数字形式的“编码”，即计算机能够识别的用1和0表示的二进制代码(实际上是电信号)，并把它们“输入”（INPUT）到计算机内存储起来。键盘是必备的输入设备、常用的输入设备还有鼠标器、图形输入板、视频摄像机等。 ⑸ 输出设备 (Output device)从计算机输出各类数据的设备叫做输出设备。输出设备把计算机加工处理的结果（仍然是数字形式的编码）变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式如文字、数字、图形、声音、电压等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。通常把输入设备和输出设备合称为I/O设备（输入／输出设备）
第二篇计算机五大部件:计算机五大部件的协同与一个指令序列的自动执行
1 表格说五大部件之功能与联系
要实现解决一个具体问题全部步骤（指令）执行的自动，需要五大部件的密切配合才能完成。
功能
具体功能
具体部件
部件具体功能
运算器
逻辑和算术运算
加法器
控制器
1 按规定的操作去执行
1.1 取出指令
指令寄存器
储存取出的一个指令
1.2 指令译码
指令译码器
对指令寄存器中的指令进行译码，产生相应的控制信号，加到控制门上；
1.3 执行指令
2 自动执行
自动访问下一条指令
程序计数器PC
能直接寻址下一条指令
3 按次序执行
通过时序线路控制一条指令的执行时间
脉冲和节拍发生器
时钟
存储器
存储指令和数据
能够随机访问存储单元
时序(循环)电路
输入输出
数据输入输出
完成与用户的交互
接口
提供统一的接口标准
连线
功能模块连接
地址总线
数据总线
控制总线
备注：指令分为两部分：操作码和操作数。操作码说明要做什么操作，操作数指明要处理的数据的存放地址在什么地方。处理器里有百儿八十条指令，称为指令集；
2 每执行一条指令控制器要做几件事
2.1 取指令：即根据地址从内存取出指令，并放到指令寄存器中；
2.2 分析指令：“算”出这条指令要做什么；
2.3 执行指令：发出操作控制信号；
2.4 程序计数器的内容加1，确定下一条指令的地址，为执行下一条指令做好准备。
The fetched instruction is loaded into a register in the cpu known as the instruction register.The instruction is in the form of a binary code that specifies what action the cpu is to take.The cpu interprets the instruction and performs the required action.In general these actions fall into four categoies:
I cpu-memory:Data may be transferred from the cpu to memory or from memory to cpu;
II cpu-I/O:Data may be transferred to or from the outside world by transferred between the cpu and an I/O module.
III Data processing:the cpu may perform some arithmetic or logic operation on data;
IV contrl.
A computer contains a system clock that emits pluses to establish the timing for system operations.The time to complete an instruction cycle is measured in megahertz(mHz) or millions of cycles per second.
3 控制器执行全部指令的流程
3.1 按照程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放到控制器的指令寄存器中；
3.2 由指令译码器对该指令的操作码进行分析判别；
3.3 根据指令的性质，向计算机各部件发出相应的控制信号（包括取数和对数据的具体操作），有序地控制各部件完成规定的操作；
3.4 从存储器中取出下一条指令，再执行，依次类推；
3.5 每取一条指令，控制器中的指令计数器就加1，为取下一条指令做准备；
取指周期：取指令的一段时间；
执行周期：执行指令的一段时间；
4 控制器组成
主要包括三个部分：
4.1 指令寄存器IR Instruction Register：其本质是存储部件，寄存器是一个临时存储介质。计算机将当前执行或者即将执行的指令存储在该寄存器中；
4.2 程序计数器PC Program counter：是用来保存下一步将要执行指令的位置，所以通过该寄存器保存的地址就可以方便地将下一步要执行的指令从内在中取出，放到指令寄存器中；
4.3 操作控制器OC Operation Controller：负责将指令进行译码，产生相应的控制信号，控制其他部件有序地运行。因为计算机只能看懂“0”、“1”组成的语言，需要将指令转换为机器语言，而这个寄存器就实现该功能。
The control unit of CPU：It uses an instruction pointer to keep track of the sequence of instruction that is supposed to be processed.Using the pointer as a guide,the control unit retrieves each instruction in sequence from RAM and places it in a special instruction register.The control unit interprets the instruction to find out what needs to be done.According to its interpretation,the control unit sends signals to the data bus to fetch data from RAM,and to the ALU to perform a process.
Data are brought into the ALU by the control unit and the ALU performs whatever arithmetic or logical operations are required to help carry out the instructions.
CPU的控制单元：控制器通过一个指令指针来追踪即将需要处理的指令序列。通过指针指引，从保存在随机存储器（RAM）的指令序列中取出一条指令并将其保存至指令寄存器。控制器解释这个具体的指令以确定需要完成的操作，并根据这个解释，发出信号到数据总线，从RAM中获取数据，然后由运算器（ALU）完成数据处理（逻辑或算术操作）。
5 运算器
包括有算术逻辑单元、累加器、状态寄存器、通用寄存器等四个部分。其中的算术逻辑单元可以提供加、减、乘、除的算术运算和与、或、非等逻辑运算。
第三篇计算机五大部件:深入理解存储程序结构的冯诺依曼计算机的五大部件
-1-存储程序和自动执行程序是冯诺依曼计算机工作的基本原理
50年代冯诺依曼提出了五大部件和存储程序概念，计算机由输入设备、存储器、控制器、运算器、输出设备组成，指令和数据可一起放在存储器，程序按顺序自动执行。
CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。
所谓指令是一串二进制数，它规定机器做什么操作。指令分为两部分：操作码和操作数。操作码说明要做什么操作，操作数指明要处理的数据的存放地址在什么地方。处理器里有百儿八十条指令，称为指令集；机器语言可以被看作一种约定的形式，用处理器和寄存器来操控内存。
1.1 存储程序：通过输入设备，把程序载入到存储器中临时存储起来；
1.2 取得指令：控制器从存储器中放置程序的位置(地址)拿出一条程序指令，并放到指令寄存器中；
1.3 解析指令：控制器对拿到的程序指令进行分析和解释，确定指令的含义和具体工作任务，然后产生与该任务对应的控制信息，发送给相应部件。譬如，如果任务是做两个数的加法，则发送控制信息指挥运算器从存储器中取出参与运算的两个数，进行加法运算；
1.4 执行指令：控制器根据指令的性质，向计算机各部件发出相应的控制信号，有序地控制各部件完成规定的操作；譬如，运算器收到加法控制命令和参与运算的两个数，就执行加法运算，运算产生的结果数据传送到存储器中临时保存起来。
1.5 每取一条指令，控制器中的指令计数器就加1，确定下一条指令的地址，控制器按顺序取得下一条程序指令，解析指令，然后各部件执行指令...如此循环往复持续不断，直到程序结束。
-2-控制器
控制器的主要任务是根据从内存取来的指令，解析指令并向相应的部件发出控制信号，控制计算机各部件协调工作，完成要求的作业。
控制器主要包括三个部分：
2.1 指令寄存器IR(Instruction Register)：其本质是存储部件，寄存器是一个临时存储介质。计算机将当前执行或者即将执行的指令存储在该寄存器中；
2.2 程序计数器PC(Program Counter)：是用来保存下一步将要执行指令的位置，所以通过该寄存器保存的地址就可以方便地将下一步要执行的指令从内在中取出，放到指令寄存器中；
2.3 操作控制器OC(Operation Controler) :负责将指令进行译码，产生相应的控制信号，控制其他部件有序地运行。因为计算机只能看懂“0”、“1”组成的语言，需要将指令转换为机器语言，而这个寄存器就实现该功能；
Controller uses an instruction pointer to keep track of the sequence of instruction that is supposed to be processed.Using the pointer as a guide,the control unit retrieves each instruction in sequence from RAM and places it in a special instruction register.The control unit interprets the instruction to find out what needs to be done.According to its interpretation,the control unit sends signals to the data bus to fetch data from RAM,and to the ALU to perform a process.
Data are brought into the ALU by the control unit and the ALU performs whatever arithmetic or logical operations are required to help carry out the instructions.
-3-运算器
运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、民或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，也可执行地址运算和转换，亦称为算术逻辑部件(ALU)。运算逻辑部件，可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，。
3.1 接收寄存器：接收并保存一个操作数。
3.2 累加寄存器：保存另一个操作数和运算结果。
3.3 状态寄存器：用来记录算术、逻辑运算或测试操作的结果状态。程序设计中，这些状态通常用作条件转换指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器。
3.4 通用寄存器：为了减少对存储器的访问，主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。
3.5 执行部件：包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。
3.6 控制电路：按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。
-4- 寄存器
寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。其实寄存器就是一种常用的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部份。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。
寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
A register is a storage location inside the processor.Rigisters in the control unit are used to keep track of the overall status of the program that is running.Control unit registers store information such as the current instruction,the location of the next instruction to be executed,and the operands of the instruction.In the ALU,registers store data items that are added,substracted,multiplied,divided,and compared.Other registers store the results of arithmetic and logical operations.
-5- 总线：五大部件的连接
为了读出程序、处理数据等，必须要在CPU与内存之间进行数据的传送。数据是利用称为数据总线（data bus）的传输途径进行交换的。所谓总线(bus)，就是计算机主板上的某种传输线路。总线的宽度（即传输线的条数），会因CPU而各异。比如，对于32位总线而言，每次可以交换32位的数据。但需要注意的是，总线位数并不是CPU的位数，而是指传输数据时的位数。例如，英特尔公司的奔腾系列为32位的CPU，其数据总线的宽度为64位。总线是与从CPU芯片里面引出来的，一根一根针（pin）脚相对应的。如果能对照CPU芯片或计算机主板的实物，找到称为总线的传输线路，对总线的概念，就会有感觉了。
此外，为了从内在读出数据，或者将数据写入内存，就必须要指定读出的位置和写入的位置。因此，内存中的每个字节（Byte）都被分配了相应的编号（当然不一定都要以字节为单位，也有采用别的单位进行编号的），这种编号就称为地址（address）。当要访问内存时，就需要从CPU传送出指定地址的电信号。这种信号也是通过总线进行传送的，但它与传送数据所用的总线（数据总线）不同，是由地址总线的位数所决定的。
比如，若地址总线只有16条（即16位总线），其所能存取访问的地址是，从0000 0000 0000 0000地址到1111 1111 1111 1111地址为止，只有65636个单元。现在市场上的奔腾系列CPU，其地址总线有32根。它可以直接访问的内在单元为232＝4GB（约40亿个字节）。
主存与CPU的硬连接有三组连线：地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。把主存看作一个黑盒子，存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据寄存器（MDR）是主存和CPU之间的接口。MAR可以接收由程序计数器（PC）的指令地址或来自运算器的操作数的地址，以确定要访问的单元。MDR是向主存写入数据或从主存读出数据的缓冲部件。MAR和MDR从功能上看属于主存，但通常放在CPU内。
Physically,a bus is a set of wires.The components of the computer are connected to the buses.To send information from one component to another,the source component outputs data onto the bus.The destination component then inputs this data from the bus.As the complexity of a computer system increases,it becomes more efficient(in terms of minimizing connections) at using buses rather than direct connections between every pair of devices.Buses use less space on a circuit board and require less power than a large number of direct connections.They also require few pins on the chip or chips that comprise the CPU.
When the cpu reads data or instruction from or writes data to memory,it must specify the address of the memory location it wishes to access.It outputs this address to the address bus;memory inputs this address from the address bus and use it to access the proper memory location.Each I/O devices,usch as a keyboard,monitor,or disk device,has a unique address as well,when accessing an I/O device,the cpu places address of the device on the address bus.Each bus can read the address off the bus and determine whether it is the device being access by the cpu.Unlike the other buses,the address bus always receives data form the cpu,the cpu never reads the address bus.
Data is transfered via the data bus.When the cpu fetches data from memory,it first outputs the memory address on its address bus.Then memory outputs the data onto the data bus,the cpu can then read the data from the data bus.When writing data to memory,the cpu first outputs the address onto the address bus,then outputs the data onto the data bus.The memory then reads and stores the data at proper location.The processes for reading data from and writing data to the I/O devices are similar.
The control bus is different from the other two buses.The address bus consists of a lines,which combine to transmit one -bit address value.Similarly,the lines of the data bus work together to transmit a single multi-bit value.In contrast,the control bus is a collection of individual control signals.These signals indicate whether data is to be read into or written out of the cpu,whether the cpu is accessing memory or an I/O devices or memory is ready to transfer data.The control bus is really a collection of (mostly) undirectional signals.Most of these signals are output from the memory and I/O subsystems,although a few are output by these subsystems to the cpu.
A system may have a hierarchy of buses.for example,it may use its address,data and control buses to access memory,and an I/O controller.The I/O controller,in turn,may access all I/O devices using a second bus,often called an I/O bus or a local bus.
-End-
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