如何向孩子解释计算机的原理

学这门课程之前，要先忘掉这门课程名字中的“计算机”三个字。每节课，每个课程阶段都会介绍一种电路。从简单到复杂，从开关到ALU。每个阶段做出来的东西看起来都和“计算机”没什么关系，除了他们都能存储和运算。但是会很清楚的了解到每个阶段做出来的东西其实完全没有“存储”和“运算”功能。他们只不过是一种电路的状态，或者通过一个信号，控制另一部分电路的状态。由于很简单，很容易弄清楚这个东西是如何工作的。最后把所有东西拼成一块CPU的时候，就像你趴在地上拼拼图，拼完最后一块起身俯视的感觉。会了解到高低电平是如何通过各种门电路变成数据，变成屏幕上花花绿绿的程序的。这就是所谓的“原理”。
这门课完全可以用一个词来概括，就是“抽象”。在我看来这也是整个计算机设计中所蕴含的的灵魂。
其实一个门电路完全不知道自己在做什么，不过是按照电气特性把高电平变成低电平，低电平变成高电平。是人们把这些不同的状态抽象出0和1的概念，然后从中产生了“逻辑门”。并用此来表达逻辑运算，然后用这些逻辑运算去表示二进制的数值运算，再把这些运算组合起来，用一组开关来启动，就有了一条指令，最终把这些简单的电路变成了CPU。整个过程不过是一层一层的抽象。上层依赖于下层所提供的功能与意义，完成本身的功能同时又提供了更高层次的抽象。最后你从上挖到下，最底下的一层根本找不到什么0或1 。包括操作系统和各种协议，绝大部分计算机相关的东西都是这么一层层抽象出来的。这就是“计算机”“组成”的“原理”。
友情提示，理论课可以逃，但实验课绝对不能逃。不知道你们的实验课做的是什么，我们是用VHDL写程序，然后烧到一个FPGA试验台里面。由于我的理论课老师每次课程要花至少三分之二的时间给我们讲西游记的处世哲学，所以我基本没怎么上过。但实验课一次没逃过，就算因故缺勤也会自己找老师补上。

计数器是简单的数字计算,是简单的芯片中人为的输入了汇编程序来通过对指示键(计数器上的1.2.3.4.键)的2进制0.1识别,可以说是识别器.计算器里面是一块已经编程好了的数字电路.它先判断出并储存外部的按键信号(就是你按下哪个键),然后根据这些信号进行运算,再输出信号到显示屏上.
计算机工作原理：
如果想叫计算机工作,就得先把程序编出来,然后通过输人设备送到存储器中保存起杂,即程序存储.接来就是执行程序的问题了.根据冯．诺依曼的设计,计算机应能自动执行程序,而执行程序文归结为逐条执行指令.
①取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到
CPU
内部的指令寄存器暂存；
②分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器,译出该指令对应的微操作；
③执行指令：根据招令译码器向各个部件发出相应控制信号,完成指令规定的操作；
④为执行下一条指令做好准备,即形成下一条指令地址.

难道要我从算盘开始讲解？好吧。。。
算盘：
拨动一个算珠，靠中间横杠的算珠就多一个，所以数值+1；数值满10后，进位+1（左边的栏位），本位清空。
最早的算盘大概是每档都有10个算珠，最常见的是上2下5共7颗算珠，最简化的是上1下4共5颗算珠，但用起来都一样的，上面的算珠一颗等于5，下面的一颗等于1，满五或超过五就用上面的算珠代替，满十或超过十就进一位。
机械手摇计算机：
除了不用手动去拨动一个个算珠外，基本原理和算盘是差不多的。
继电器计算机：
终于进化到电器级别了。。。这时候的计算机，已经开始二进制、电路控制，电路中有电表示1，没有电表示0；有电的时候，前方的继电器工作，继电器耦合后，意味着另一条电路联通，联通就意味着有电，有电就意味着数值从0变成1。
也就是说，你按下一个开关，并不仅仅是连接在开关上的这条线路有电，而是通过继电器的作用，产生一连串的连锁反映，让一连串其他电路上的继电器都产生或断开或连接的动作。
把这些继电器按照一定的“程序”和电路排列，就能通过最终电路的电流有无状况，得到“计算结果”。
如果你能理解继电器计算机的这种工作原理，那么后面的电子计算机也同样能理解了。
电子管计算机：
用电子管放大管（三极管）来代替继电器，原理没变化。
。。。为什么三极管能够代替继电器？这又要从三极管的原理开始解释了。。。不过这是电工的教程，三极管三个电极的互相影响，其原理可以看做和继电器是一样的，就不多解释了。
晶体管计算机：
用晶体三极管代替电子三极管，原理没变化。
集成电路计算机：
用硅片通过激光灼刻，在硅片上产生一片片的三极管以及相关电路。。。然而原理始终没有变化，只是规模更庞大。
解释完毕。

计算机的基本工作原理
计算机基本工作原理即“存储程序”原理，它是由冯·诺依曼提出的。
1946年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了关于计算机的构成模式和工作原理的基本设想。
计算机基本构成模式
计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件
计算机中数的表示
计算机内部应采用二进制表示指令和数据
计算机的工作原理
计算机系统应按照下述模式工作：将编好的程序和原始数据，输入并存储在计算机的内存储器中（即“存储程序”）；计算机按照程序逐条取出指令加以分析，并执行指令规定的操作（即“程序控制”）。这一原理称为“存储程序”原理，是现代计算机的基本工作原理，至今的计算机仍采用这一原理。

（一）冯·诺依曼设计思想

　　计算机问世50年来，虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别，但基本体系结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机。

　　冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：
　　① 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。
　　② 计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中，操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器的位置。
　　③ 将编好的程序和原始数据送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。
　　冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化。
　　（二）计算机基本结构图

　　（图中实线为数据流，虚线为控制流），我们可以更好地理解“存储程序”和“程序控制”。

　　输入设备在控制器控制下输入解题程序和原始数据，控制器从存储器中依次读出程序的一条条指令，经过译码分析，发出一系列操作信号以指挥运算器、存储器等到部件完成所规定的操作功能，最后由控制器命令输出设备以适当方式输出最后结果。这一切工作都是由控制器控制、而控制器赖以控制的主要依据则是存放于存储器中的程序。人们常说，现代计算机采用的是存储程序控制方式，就是这个意思。
　　（三）计算机的工作过程

　　计算机的工作过程，就是执行程序的过程。怎样组织存储程序，涉及到计算机体系结构问题。现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。

　　了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输入设备送到存储器保存起来，即程序存储。下面就是执行程序的问题。根据冯·诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令。执行一条指令又可分为以下4个基本操作：
　　① 取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存。
　　② 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作。
　　③ 执行指令：根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作。
　　④ 为执行下一条指令作好准备，即取出下一条指令地址。

计算机的工作原理
指令
指令是用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进制位串。
指令的格式
一条指令由操作码和地址码两部分组成。
例如二地址指令格式如下：
操作码
地址码1
地址码2
操作码：用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。
具体说明指令的性质或功能，每条指令只有一个操作码
。
例如，加法、减法、乘法、除法、取数、存数等各种基本操作均有各自相应的操作码。
地址码:
指出该指令所操作（处理）的对象（称为操作数）所在存储单元的地址。
包括着操作数的来源，结果的去向或下一条指令的地址等信息，不同指令中地址码的个数可以不一样。
指令系统
定义
一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合，称为该台计算机的指令系统。指令系统中有数以百计的不同指令。
指令的分类:
1，数据传送指令：用于把存储器或寄存器中的某个操作数复制到指定的存储单元或寄存器中去。
例如：
MOV
CL,05H
解释：将05H保存到寄存器CL中
2，算术运算指令：用于完成两个操作数的加、减、乘、除等各种算术运算。
例如：
CX＝0029H，SI=04EDH，执行指令ADD
SI,CX之后
将寄存器SI中存储的数04EDH和寄存器CX中存储的数0029H相加，
并把结果存在寄存器SI中
验算过程如下：
0029H
+
04EDH
0516H
结果SI=0516H
3，逻辑运算指令：用于完成两个操作数的逻辑加、逻辑乘、按位加等各种逻辑运算。
例如：按位求反指令
BL=FBH,执行指令NOT
BL后，
BL=(11111011)2
取反后BL=(00000100)2=04H
4，移位运算指令：用于完成指定操作数的各种类型的移位操作。
5，位与位串操作：计算机中越来越重视非数值数据的操作，包括位与位串的装入、存储、传送比较、重复执行等，也可包括位串的插入、型存取。
6，控制与转移指令：通常程序中的指令多数是依次序一条条的顺序执行，但根据指令执行的结果，也可以跳到其他指令或其他程序段去执行。具有这种功能的就是各种类型的转移指令。
7，输入/输出指令：在微机中，往往把输入/输出设备中与主机可交换数据的寄存器称为I/O端口。同时，把各个I/O端口统一编址。使用输入/输出指令，就可以去存取各种外部设备的I/O端口，实现数据的输入/输出。
8，其它指令：包括各种处理器控制指令，它们往往由操作系统专用。
兼容性问题
每种CPU都有自己独特的指令系统，用某一类计算机的机器语言编制的程序难以在其他各类计算机上运行，这个问题称之为指令不兼容。
向下兼容：
如586机器语言向下兼容486机器语言程序。
指令精简问题
精简指令系统计算机RISC。
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程序
为解决某一问题而设计的一系列指令称为程序。
程序和相关数据存放在存储器中，计算的工作就是执行存放在存储器中的程序。
计算机运行程序的过程就是一条一条地执行指令的过程。
程序的执行又自动地控制着整个计算机的全部操作。
这就是50年前美国数学家冯·诺依曼提出的程序存储和程序控制的思想。这也是目前计算机的基本工作方式。
指令的执行
一条指令的执行过程大体如下：
（1）指令预取部件向指令快存提取一条指令，若快存中没有，则向总线接口部件发出请求，要求访问存储器，取得一条指令；
（2）总线接口部件在总线空闲时，通过总线从存储器中取出一条指令，放入快存和指令预取部件；
（3）指令译码部件从指令预取部件中取得该指令，并把它翻译成起控制作用的微码；
（4）地址转换与管理部件负责计算出该指令所使用的操作数的有效物理地址，需要时，请求总线接口部件，通过总线从存储器中取得该操作数；
（5）执行单元按照指令操作码的要求，对操作数完成规定的运算处理，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志；
（6）修改地址转换与管理部件中的指令地址，提供指令预取部件预取指令时使用。
Pentium
处理器中的流水线过程
由于Pentium中有两个整数ALU，所以它能同时执行两条流水线，
这种结构称为“超标量结构”（Superscalar)。

计算机基本工作原理即“
存储程序
”原理，它是由
冯·诺依曼
提出的。
1946年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了关于计算机的构成模式和工作原理的基本设想。
计算机基本构成模式
计算机应包括
运算器
、存储器、控制器、输入设备和
输出设备
五大基本部件
计算机中数的表示
计算机内部应采用二进制表示指令和数据
计算机的工作原理
计算机系统
应按照下述模式工作：将编好的程序和
原始数据
，输入并存储在计算机的
内存储器
中（即“存储程序”）；计算机按照程序逐条取出指令加以分析，并执行指令规定的操作（即“程序控制”）。这一原理称为“存储程序”原理，是现代计算机的基本工作原理，至今的计算机仍采用这一原理。

计算机的基本原理：存储程序控制原理。
该原理的特点是：(1):在执行程序和处理数据时必需将程序和数据装入存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令并加以执行。
(2):用二进制形式表示数据和指令。
(3):对计算进行集中的顺序控制。
(4):计算机系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备等5大部件组成。
冯·诺依曼“存储程序”工作原理的核心包含两层含义：首先，将编写好的程序和原始的数据存储在计算机的存储器中，即“存储程序”；其次，计算机按照存储的程序逐条取出指令加以分析，并执行指令所规定的操作，即“程序控制”。

大概包括（1）计算机系统概论，（2）运算方法和运算器，（3）存储系统，（4）指令系统，（5）中央处理机，（6）总线系统，（7）外围设备，（8）输入输出系统，（9）操作系统支持，（10）高性能处理机体系结构

这怎么说呢，就是一种自动处理信息的电子设备，对人们预先编译好的程序进行处理、存储、传送，从而输出有用信息···

冯.诺伊曼原理，也叫存贮程序原理。