任务三 计算机的工作原理

知识点

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以下是两张图片中全部知识点的逐行提取：

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图1（教材正文，P047）

任务三　计算机的工作原理

任务描述

• 一台小小的计算机就可以做那么多工作，它怎么会这么厉害呢！

预备知识

• 计算机的基本工作原理主要分为存储程序和程序控制。
• 预先要把控制计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存中。
• 每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

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1. 指令与程序

• 计算机指令，简称指令，就是指挥计算机执行某种操作的命令。
• 程序就是一系列按一定顺序排列的指令的集合，程序的执行过程就是计算机的工作过程。
• 人们用指令表达自己的意图，并交给控制器执行；控制器靠指令指挥计算机工作。
• 指令由操作码和地址码组成：
  • 操作码：决定要完成什么样的操作；
  • 地址码：指明参加运算的操作数和操作结果的存放地址。
• 一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为指令系统。
• 指令系统描述了计算机内全部的控制信息和"逻辑判断"能力。
• 用户可以利用指令系统的指令来为计算机编写程序。

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2. 存储程序及程序控制工作原理

• 目前，计算机都遵循冯·诺依曼体系结构，其主要思想是：

  1. 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成；
  2. 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
  3. 采用存储程序和程序控制方式，即将程序和数据预先存放在存储器中，计算机在程序的控制下自动运行，无需人工干预。

• 计算机能在程序的控制下自动运行的理论基础是存储程序工作原理。

• "存储程序"：人们必须使用输入设备将事先编制好的程序（完成某个任务的若干指令的有序集合）和运行时所需的数据一起存放在存储器中。

• "程序控制"：计算机运行程序时能自动从内存中逐条取出程序中的指令，由 CPU 分析并执行指令。

• 存储程序工作原理的具体过程：

  1. 为解决某个问题，用户事先编制好程序；
  2. 通过计算机输入设备将程序输入到计算机，并存储在外存中；
  3. 执行程序时，控制器将程序读入内存中；
  4. 控制器按照程序在内存中的存储地址，依次取出每条指令到控制器中；
  5. 控制器分析指令，并指挥运算器、存储器、输入设备和输出设备协调执行指令所规定的操作。

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图2（图2-3-1　计算机工作原理）

标题：计算机的整个工作过程及基本硬件结构（储存程序工作原理）

五大部件及数据/指令流向：

1. 输入设备

   • 输入：程序 + 数据
   • 输出：将程序和数据送入（内）存储器
   • 与控制器之间：双向信号（请求信号 / 响应信号）

2. （内）存储器

   • 接收输入设备送来的程序和数据；
   • 向控制器发送 1. 指令；
   • 接收控制器发来的 2. 地址；
   • 向运算器 3. 读取数据；
   • 接收运算器 4. 存储回来的运算结果；
   • 向输出设备输出数据。

3. 控制器

   • 从内存储器读取指令（1. 指令）；
   • 向内存储器发送地址（2. 地址）；
   • 向输出设备发送：响应信号、请求信号。

4. 运算器

   • 从内存储器读取数据（3. 读取）；
   • 将运算结果写回内存储器（4. 存储）；
   • 接收控制器发来的"操作指令"。

5. 输出设备

   • 从内存储器接收数据；
   • 输出：处理结果；
   • 与控制器之间：双向信号（请求信号 / 响应信号）。

豆包作业

一、填空题（每空2分，共30分）

1. 计算机的基本工作原理主要分为________和________。
2. 控制计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过________输送到计算机内存中。
3. 计算机指令由________和________组成。
4. ________决定要完成什么样的操作；________指明参加运算的操作数和操作结果的存放地址。
5. 一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为________。
6. 目前，计算机都遵循________体系结构。
7. 计算机硬件由运算器、、、输入设备和输出设备五大部件构成。
8. 计算机内部采用________来表示指令和数据。
9. 计算机能在程序的控制下自动运行的理论基础是________工作原理。
10. 计算机运行程序时能自动从内存中逐条取出程序中的指令，由________分析并执行指令。
11. 在工作原理图中，控制器向内存储器发送________，内存储器向控制器发送________。
12. 运算器从内存储器________数据，并将运算结果________到内存储器。
13. 用户事先编制好程序，通过输入设备输入并存储在________中，执行程序时再由控制器读入________中。

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二、单选题（每题3分，共30分）

1. 计算机的基本工作原理是（　） A. 存储程序和程序控制 B. 二进制和十进制 C. 输入和输出 D. 硬件和软件

2. 计算机指令是指（　） A. 指挥计算机执行某种操作的命令 B. 一组数据的集合 C. 一段程序的名称 D. 计算机的型号

3. 指令中规定"要完成什么样的操作"的部分是（　） A. 地址码　　B. 操作码　　C. 程序码　　D. 指令码

4. 指令中指明"参加运算的操作数和操作结果存放地址"的部分是（　） A. 操作码　　B. 地址码　　C. 控制码　　D. 数据码

5. 一台计算机所能执行的全部指令的集合称为（　） A. 程序　　B. 软件　　C. 指令系统　　D. 机器语言

6. 下列不属于冯·诺依曼体系结构主要思想的是（　） A. 硬件由五大部件构成 B. 内部采用二进制 C. 采用存储程序和程序控制 D. 内部采用十进制

7. 计算机运行程序时，分析并执行指令的部件是（　） A. 运算器　　B. 控制器　　C. 存储器　　D. 输出设备

8. 在计算机工作过程中，控制器从内存中取出指令依据的是（　） A. 程序在内存中的存储地址 B. 程序的长度 C. 数据的大小 D. 键盘输入

9. 在图2-3-1中，运算器与内存储器之间"3.读取"和"4.存储"的方向是（　） A. 运算器→内存；内存→运算器 B. 内存→运算器；运算器→内存 C. 控制器→内存；内存→控制器 D. 输入设备→内存；内存→输出设备

10. 关于"存储程序"，下列说法正确的是（　） A. 程序必须在运行时由人工逐条输入 B. 必须将事先编制好的程序和所需数据一起存放在存储器中 C. 程序只能存放在外存中，不能进入内存 D. 存储程序就是把数据打印出来保存

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三、判断题（每题2分，共20分）

1. 计算机的基本工作原理主要分为存储程序和程序控制。（　）
2. 程序就是一系列按一定顺序排列的指令的集合。（　）
3. 指令由操作码和地址码组成。（　）
4. 操作码指明参加运算的操作数和操作结果的存放地址。（　）
5. 指令系统描述了计算机内全部的控制信息和"逻辑判断"能力。（　）
6. 冯·诺依曼体系结构认为计算机内部采用十进制来表示指令和数据。（　）
7. 计算机在程序的控制下自动运行，无需人工干预。（　）
8. 控制器靠指令指挥计算机工作。（　）
9. 运算器负责分析指令并指挥其他部件工作。（　）
10. 程序和数据先通过输入设备送入计算机，执行时由控制器将程序读入内存。（　）

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四、简答题（每题10分，共20分）

1. 简述冯·诺依曼体系结构的主要思想。
2. 简述存储程序工作原理的具体执行过程。

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参考答案

一、填空题

题号	答案
1	存储程序；程序控制
2	输入设备
3	操作码；地址码
4	操作码；地址码
5	指令系统
6	冯·诺依曼
7	控制器；存储器
8	二进制
9	存储程序
10	CPU
11	地址；指令
12	读取；存储（写回）
13	外存；内存

二、单选题

题号	答案	题号	答案
1	A	6	D
2	A	7	B
3	B	8	A
4	B	9	B
5	C	10	B

三、判断题

题号	答案	题号	答案
1	√	6	×
2	√	7	√
3	√	8	√
4	×	9	×
5	√	10	√

判断题第4题解析：指明操作数和结果存放地址的是地址码，不是操作码。 判断题第6题解析：冯·诺依曼体系结构规定内部采用二进制，不是十进制。 判断题第9题解析：负责分析指令并指挥其他部件工作的是控制器，不是运算器；运算器负责执行运算。

四、简答题

1. 冯·诺依曼体系结构的主要思想：

• ①计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成；
• ②计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
• ③采用存储程序和程序控制方式，即将程序和数据预先存放在存储器中，计算机在程序的控制下自动运行，无需人工干预。

2. 存储程序工作原理的具体执行过程：

• ①为解决问题，用户事先编制好程序；
• ②通过输入设备将程序输入计算机，并存放在外存中；
• ③执行程序时，控制器将程序从外存读入内存中；
• ④控制器按照程序在内存中的存储地址，依次取出每条指令到控制器中；
• ⑤控制器分析指令，并指挥运算器、存储器、输入设备和输出设备协调执行指令所规定的操作。

任务检测

一、判断题

1. 计算机都遵循冯·诺依曼体系结构原理。（　）
2. 计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成。（　）
3. 计算机内部用二进制来表示指令和数据。（　）
4. 计算机采用存储程序和程序控制方式运行。（　）
5. 一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为指令系统，它描述了计算机内全部的控制信息和"逻辑判断"能力。（　）

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参考答案

题号	答案	说明
1	√	教材原文："目前，计算机都遵循冯·诺依曼体系结构"
2	√	冯·诺依曼体系结构主要思想①：硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成
3	√	冯·诺依曼体系结构主要思想②：计算机内部采用二进制来表示指令和数据
4	√	冯·诺依曼体系结构主要思想③：采用存储程序和程序控制方式
5	√	教材原文："一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为指令系统，它描述了计算机内全部的控制信息和'逻辑判断'能力"