數字計算機的硬件組成詳解
　　
　　用一個算盤，一張紙，一支筆來計算y=ax+b-c這個題目，步驟如下。

表1.2 解題步驟和數據記錄在橫格紙上

　　算盤計算中用到了：
　　
　　1）紙：用于存儲解題的原始信息；
　　
　　2）算盤：用于對數據進行加、減、乘、除等算術運算；
　　
　　3）筆：用于把原始數據和解題步驟記錄到紙上，及把運算結果寫出；
　　
　　4）我們人本身（主要是腦和手）用于控制解題步驟。
　　
　　計算機也需要相應部件：
　　
　　運算器：在計算機中相當于算盤功能的部件；
　　
　　存儲器：在計算機中相當于紙那樣具有“記憶”功能的部件；
　　
　　輸入設備輸出設備：相當于筆，把原始解題信息送到計算機或把運算結果顯示出來的設備；
　　
　　控制器：相當于我們的大腦，能夠自動控制整個計算過程。

1.運算器
　　
　　運算器就好比一個由電子線路構成的算盤，能進行加、減、乘、除等算術運算，還可進行邏輯運算。考慮到電子器件的特性，計算機中通常采用二進制數。這是因為二進制數的運算規律非常簡單，在電子線路中比較容易實現，而且設備也最省。
　　
　　二進制數和十進制數一樣，在運算中，當數的位數越多時，計算的精度就越高，但是位數越多，所需的電子器件也越多。目前計算機的運算器長度一般是8位、16位、32位或64位。
　　
　　2.存儲器
　　
　　存儲器的功能：保存或“記憶”解題的原始數據和解題步驟。在運算前把參加運算的數據和解體步驟通過輸入輸出設備送到存儲器中保存起來。 不論是數據，還是解題步驟，存儲器存儲的全是0或1表示的二進制代碼。 目前采用半導體器件來作為存儲器。一個半導體觸發器可以記憶一個二進制代碼，一個數假定用16位二進制代碼表示，那么就需要有16個觸發器來保存這些代碼。
　　
　　存儲單元：在存儲器中保存一個數的16個觸發器，稱為一個存儲單元。
　　
　　地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址。
　　
　　存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數。通常用單位“KB、MB”表示，如64KB，128MB。存儲容量越大，表示計算機記憶儲存的信息就越多。
　　
　　外存儲器：計算機中又配備的存儲容量更大的磁盤存儲器、光盤存儲器等。相對而言，半導體存儲器稱為內存儲器，簡稱內存。
　　
　　3.控制器
　　
　　控制器是計算機中發號施令的部件，它控制計算機的個部件有條不紊地進行工作。具體的講，控制器的任務是從內存中取出解題步驟加以分析，然后執行某種操作：
　　
　　（1） 計算程序
　　
　　運算器只能完成加、減、乘、除四則運算及其他一些輔助操作。對于比較復雜的算題，計算機在運算前必須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本操作來做。每一個基本操作就叫做一條指令，而解算某一問題的一串指令序列，叫做該問題的計算程序，簡稱為程序。
　　
　　例如在前述求解y=ax+b-c的例子中，解題步驟的每一步，只完成一種基本操作，所以就是一條指令，而整個解題步驟就是一個簡單的計算程序。

（2） 指令的形式
　　
　　每條指令應當明確告訴控制器，從存儲器的那個單元取數，并進行何種操作。
　　
　　指令的內容由兩部分組成，即操作的性質和操作的地址。前者稱為操作碼，后者稱為地址碼。

　　操作碼：指出指令所進行的操作，如加、減、乘、除、取數、存數等等；
　　
　　地址碼：表示參加運算的數據應從存儲器的哪個單元取，運算的結果應存到哪個單元。

表1.3 指令的操作碼定義表

　　1.3中指令的操作碼部分就可以變成二進制代碼。假如把地址碼部分和數據也換成二進制數，那么整個存儲器的內容全部變成了二進制的代碼或數據。
　　
　　（3）控制器的基本任務
　　
　　計算機進行計算時，指令必須是按一定的順序一條接一條地進行。控制器的基本任務，就是按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據指令性質，執行這條指令，進行相應的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執行這第二條指令。依次類推，通常把取指令的一段時間叫做取指周期，而把執行指令的一段時間叫做執行周期。因此，控制器反復交替地處在取指周期與執行周期之中。每取出一條指令，控制器中的指令計數器就加1，從而為取下一條指令做好準備，這也就是指令為什么在存儲器中順序存放的原因。

（4）指令流和數據流
　　
　　由于數字電路使用0和1兩個二進制數字，所以使用“位”（bit）作為數字計算機的最小信息單位。CPU向存儲器送入或從存儲器取出信息時，用B（字節）和W（字）等較大的信息單位來工作。一個“字節”由8位二進制信息組成，而一個“字”則至少由一個以上的字節組成。通常把組成一個字的二進制位數叫做字長。
　　
　　計算機字既可以代表指令，也可以代表數據。如果某字代表要處理的數據，則稱為數據字；如果某字為一條指令，則稱為指令字。
　　
　　指令和數據統統放在內存中，從形式上看，它們都是二進制數碼。一般來講，在取指周期中從內存讀出的信息是指令流，它流向控制器；而執行周期中從內存讀出的信息流是數據流，它由內存流向運算器。
　　
　　4.適配器與輸入輸出設備
　　
　　目前常用的輸入設備是鍵盤、鼠標器、數字掃描儀等。它們的作用是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。輸出設備的作用是把計算機處理的結果變換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式。如激光印字機、繪圖儀、CRT顯示器等。計算機的輸入/輸出設備通常稱為外圍設備。由于種類繁多且速度各異，因而它們不是直接地同高速工作的主機相連接，而是通過適配器部件與主機相連接。適配器的作用相當與一個轉換器，它可以保證外圍設備用計算機所要求的形式發送或接受信息。計算機系統中還必須有總線。系統總線是構成計算機系統的骨架，是多個系統部件之間進行數據傳送的公共通路。借助系統總線，計算機在各系統部件之間實現傳送地址、數據和控制信息的操作。