计算机原理由冯·诺依曼与莫尔小组于1943年—1946年提出。在人类科技史上还没有一种科学可以与计算机的发展之快相提并论，计算机原理适用于科学计算、信息管理等领域。
中文名计算机原理
提出者冯·诺依曼与莫尔小组
应用学科计算机
外文名computertheory
提出时间1943年-1946年
适用领域范围科学计算
发展简史
1943——1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机ENIAC（Electronic Numerical And Computer）是世界上第一台电子多用途计算机。一般认为它是现代计算机的始祖。
与ENIAC计算机研制的同时，冯·诺依曼（Von Neumann）与莫尔小组合作研制EDVAC计算机，采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯·诺依曼计算机。
诺依曼机
Von Neumann具有以下特点：
（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
（3）数据以二进制代码表示。
（4）指令由操作码和地址码组成。
（5）指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。
（6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。
现代计算机系统结构有了很大新发展，但原则上变化不大，习惯上仍称之为冯·诺依曼机。
发展阶段
根据计算机所采用的物理器件的发展，一般把电子计算机的发展分成四个阶段，习惯上称为四代。
第一代
电子管计算机时代（从1946年到50年代后期），其主要特点是采用电子管作为基础器件。代表机型IBM公司的IBM650。
第二代
晶体管计算机时代（从50年代中期到60年代后期），采用的主要器件逐步由电子管改为晶体管，缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，降低了价格。代表机型控制数据公司（CDC）的大型计算机系统CDC6600.
第三代
集成电路计算机时代（从60年代中期到70年代前期），计算机采用集成电路作为基本器件，功耗、体积、价格进一步下降，速度和可靠性相应的提高。代表机型IBM公司的IBM360.
第四代
大规模集成电路计算机时代（从70年代初至今），70年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高速度发展。1984年内含2300个晶体管的Intel4004芯片问世，开启了现代计算机的篇章。
分类
大型机是反映各个时期先进计算技术的大型通用计算机，其中以IBM公司的大型机系列影响最大。60年代的IBM360系统，70年代和80年代的IBM370系统曾占领大型机的主要市场。90年代IBM推出的大型机系列为IBMS/390系列，都是大型机的代表之作。巨型机
现代科学技术，尤其是国防技术的发展，需要有很高运算速度、很大存储容量的计算机，一般大型通用计算机不能满足要求。集成电路的进展，为制造巨型机提供了条件。微处理器的发展为阵列结构的巨型机发展带来了希望。如古德伊尔公司为美国宇航局（NASA）研制了一台处理卫星图像的计算机系统MPP，该机由16384个微处理器组成128*128方阵。
小型机
小型机规模小、结构简单所以设计试制周期短，便于及时采用先进工艺，生产量大，硬件成本低。小型机的出现打开了再控制领域应用计算机的局面，许多大型分析仪器、测量仪器使用小型机进行数据采集、整理、分析、计算等。微型机
微型机的出现与发展，掀起计算机大普及的浪潮，利用4位微处理器Intel4004组成的MCS-4是世界上第一台微型机，它于1971年问世。我们工作学习生活中用的PC就是微型机。1978年Intel成功开发了16位微处理器Intel8086。1981年32位微处理器Intel80386问世。随着技术的不断发展，已经进入64位双核微处理器时代。其它还有工程工作站、联机系统和计算机网络，这些就不再赘述，有兴趣的读者可以自己搜索资料。这里所说的计算机原理，主要以微型机为主，因为微型机与我们的生活关系最为密切。
主要应用
1、科学计算
2、过程控制3、信息管理
4、计算机网络与通信
5、计算机辅助教学、设计、制造
6、仪器仪表与家电控制
7 电子游戏，看视频，购物
计算机的主要应用
数据可分为数值数据和非数值数据两大类。从计算机所处理数据的类型这个角度来看，计算机的应用原则上应该分成科学计算和非数值计算两大类。后者包括信息处理、过程控制、计算机辅助设计、计算机辅助教学、人工智能等，其应用范围远远超过前者。计算机的应用已形成了一门专门的学科，它主要包括以下几方面的内容：
1.科学计算即纯数值计算，主要是解决科学研究领域的一些复杂的数学问题，计算量大而且精度要求高。例如：气象预报、人造卫星轨道的计算等都属于这方面的应用。2.过程控制
过程控制是指利用计算机对生产或其他过程中的数据及时采集，并按最佳方案实现自动化。过程控制可以提高自动化程度，减轻劳动强度、提高生产效率、降低生产成本，保证产品质量的稳定。
3.信息处理
信息处理是计算机应用最广泛的领域之一。信息处理是指用计算机对各种形式的信息（如文字、图像、声音等）收集、存储、加工、分析和传送的过程。当今社会，计算机在信息处理领域的应用，对办公自动化、管理自动化乃至社会信息化都起着积极的促进作用。4.计算机辅助系统
1）计算机辅助设计
计算机辅助设计简称为CAD（ComputerAidedDesign），它是利用计算机帮助人们进行各种工程和复杂产品的设计。CAD技术不仅提高了设计质量，而且也提高了自动化程度，大大缩短了新产品的设计与试制周期，从而成为生产现代化的重要手段。
2）计算机辅助制造计算机辅助制造简称为CAM（ComputerAidedManufacturing）。它是利用计算机直接控制零件的加工，实现无图纸加工。3）计算机辅助教学
计算机辅助教学简称为CAI（ComputerAssistedInstruction）。它是指利用多媒体和网络技术，使得网上教学和远程教学得以实现。利用CAI，可将课程内容编成图文并茂的软件，使教学过程更加形象化。对于不同程度的学生可以自主选择不同的教学内容和教学进度，改变了教学的单一模式。
系统构成
计算机系统构成
由上图我们可以看出，计算机系统包含硬件系统和软件系统，硬件系统是计算机的基础，软件系统是计算机的上层建筑。一个完整的计算机系统必须包含硬件系统和软件系统，只有硬件系统没有软件系统的机器叫裸机。
硬件系统
硬件系统一般包括：微处理器（CPU）、内存储器、输入/输出接口、系统总线、外部设备。
其中，各部件之间的信号传输要通过系统总线来完成。
1、微处理器（CPU） CPU是电脑系统的心脏，电脑特别是微型电脑的快速发展过程，实质上就是CPU从低级向高级、从简单向复杂发展的过程。
CPU（Central Processing Unit）又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。
主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生产提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。
2、内存储器和辅助存储器
内存储器简单的说就是我们通常说的内存。辅助存储器简单的说就是指硬盘和光驱。
内存
3、输入/输出接口
I/O接口
IDE接口，一般用于连接硬盘和光驱，这个接口逐渐被SATA接口所代替；SCSI接口主要是用作连接SCSI接口的硬盘；USB接口一种通用万能插口，支持热插拔；IEEE 1394接口比USB接口提供了更高的速率，同时也支持热插拔。AGP接口，主要是用来连接显卡，但是随着技术的发展，逐渐被PCI-E接口所取代。
4、系统总线
总线一般有两类：一类是连接计算机内部各模块的总线，如连接CPU、存储器和I/O接口的总线，常用的有ISA总线、EISA总线、PCI总线等；另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线，常用的有EIA-RS232C串行总线和IEEE-488并行总线等。
5、外部设备
外部设备 一般包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
6、运算器
运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。
软件系统
软件系统包括：系统软件和应用软件
1、系统软件
Windows系列、Linux系列等
系统软件包括：操作系统、服务型程序、语言处理程序。
2、应用软件
应用软件包括：定制应用软件和通用应用软件。
工作过程
可以简单概括为输入、处理、输出和存储4个过程。
1.输入是指接受由输入设备（如键盘）提供的信息；
2.处理是对信息进行加工处理的过程，并按一定方式进行转换；
3.输出是将处理结果在输出设备上（如显示器等）显示或打印等操作；
4.存储是将原始数据或处理结果进行保存以便再次使用。
这4个步骤组成一个循环过程。输入、处理、输出和存储并不一定按照上述的顺序操作。在程序的指挥下，计算机根据需要决定采取哪一个步骤。个人计算机的工作过程是通过输入设备（键盘或鼠标等）输入用户的操作命令或数据，计算机的处理单元（微处理器）接受到输入命令后，进行处理并将结果在计算机的输出设备（显示器或打印机等）上输出，也可以将结果保存在计算机的存储器（硬盘或软盘）上。因此，计算机对于某种输入命令所要进行的对应操作，是由事先保存在计算机中的程序决定的。
计算机工作过程
PC组成
PC一般由主机和输入输出设备组成。主机一般由CPU、主板、内存、硬盘、显卡、光驱、电源、机箱、散热器等组成；输入设备一般包括键盘、鼠标等，输出设备一般包括显示器、打印机等。这样由主机和输入输出设备组成了一台裸机，只有再安装好操作系统和应用软件以后，才称得上一台真正的计算机。
人话版
首先人话版的意思，就是说人话，人人都能听懂，但是考试得零分。
正式开始：
先解释什么是逻辑电路、逻辑门
一条线上串两个开关，需要两个开关都打开才能通电？这个可以理解吧。
这种电路叫做“与门”，待会我写成“and”，可以理解吧？接通记成1，否则0。
那就是1 and 1 结果就是1，或者写成 and(1,1)=1。显然and(1,0)=0。
再有一个要记住，其实一个很小的电子元件就可以实现这个功能，不一定真要去搞一条线两个开关。这个电子元件叫二极管还是八极管还是电容我们不用去关心，反正可以实现。非要了解你去查别的资料。
如果是并联开关呢，就是一条线接个分支出去，接上开关汇成一条线。打开任何一个开关，都可以通，就是“或门” 待会我写成 or。同样是电路实现的。
有一条线本来是通的，灯会亮。你在中间分一条线出来，接上一个开关制造一个短路，如果不理解短路。就想象成水龙头，本来2楼可以用水，你把一楼的水龙头打开二楼自然就没水了。英文是“notrynodie”很高端。 待会我写成not, 这叫做“非门”。
讲完了，以上大概就是计算机的80%原理了。自己喜欢推导就不用看下面了。
下面都是叠加，先把逻辑门叠加完。
先输入两个动作给一个and，and门里出来的信号再输出给not。
写成 not (and(x,y))，x,y就是你手上的两个开关。
这叫做叫做与非门，捋一捋就知道Not(and(1,1))=0，not(and(0,0))=1。
下面还有异或门Not(Or)，就不讲了。可以自己推导一下。
为什么是2进制
基本门电路了解了。我们来看一下怎么实现进位记数。首先我们设定一下，通电就是1，不通就是0，待会好表达。地上放横放四个灯泡，刚好二进制的4位数。第一位就是一个开关，第二位做一个and(xy),有两个信号时，输出1个信号。这就是二进制的第二位。第三位做一个and[and(xy),and(x,y)]4个信号都是1时，才输出1，看得懂不？里面成and构成外面and的信号源。这不就是2进制了吗？也就是说，这也是通过逻辑电路可以实现的。
剩下的10%是存储技术。
就像刚才，二进制进位也需要储存啊，把上一位输出输入到下一位，或者加上另一个数，需要有个地方暂时存放我们的信号呀。有一种电子元件，叫啥？电容？半导体?还是什么东西，他有一种特性，就是你给他加电，他不传导。他会把电子留下，如果再加电，就会被击穿，短暂的放出电子（大概或者就是这么个道理）。这个原理就可以作为机器里的暂存。外部存储就是光盘，磁盘什么的。最早会用到的打孔方法，这个最好理解。一条很长的纸带上，有规律的打上一些孔。我们按一定的速度拖动这张纸条。因为有孔，所以有时透光，有时不透光。透光的时候对面有个感光元件收集信号。在约定个时长比如一秒采一次样。就得到一段2进制的信息了。这个约定的采样时长很重要。要不就乱套了，这个后面再说。
计算机怎么控制别的设备
最好理解的是显示屏。你可以把这些看做是一排排的灯。每个灯泡连一个开关。按规定开关灯泡，就显示出信息。想要显示8的样子。按顺序开关就好。这个顺序是用逻辑电路去设计好的。不用我们去逐个按电灯的开关。我们控制逻辑电路就好。只按几个开关，就能显示出8。当然这是最笨的办法。没有哪台电脑会这么去干。
下面是计算。
如果这组8的信号没有输给显示器，而是输给了存储器1。然后我们按加号，识别为选择存储器2。我们输入1。当你按等号。就会执行一个把存储器1和存储器2的信号同时输出一个准备好的逻辑电路。等逻辑电路再输出的时候，就正好变成了9的信号，再把这个数字信号，输送给控制显示器的逻辑电路翻译成灯阵的开关方式。最后显示器的灯阵就会显示出9的样。这就实现了加法。也实现了显示。减法差不多，
一旦有了加法，就可以叠加其他的运算符号。比如乘法，减法。多少次方。差不多都是加法的累加。在加上之前说的逻辑运算。就发展出了更多的逻辑方式，比如“如果……就执行“这种控制方式。相当于用逻辑门设定一个执行密码。
如果…就，就是 if，如果存储器1里面等于1，就执行关机的代码。
还有for ,，就是一直执行，除非条件出现。
有了加减乘除，有了if，for。就可以把一些不是数字的转成数字来计算。比如，屏幕如果关闭，就关机。这里头没数字。但是我可以把屏幕关闭这种状态解释为1，我写下逻辑，如果屏幕关闭状态成立，X=1,如果X=1，执行关机的流程。 这里的X是我们提前准备好的一个盒子。没有信号输入的时候保存为0.
明白了这个道理，我们就可以编一些简单的程序了。比如让电脑在显示器上显示一个圆。写好了、很复杂。也许累了8天。但是以后再要画圆，就不用再写了。因为我可以保存这段代码。下次用的时候，只需要改变直径参数就可以了。但是这段代码很长，抄起来也很费时间。所以我们取个代号，比如是cor，用逻辑方法，如果我们输如cor这个代号时候，机器输出画圆的代码串。我们再加个参数,比如cor=10,这样电脑就会画一个直径10的圆。你自的代码可以简写成cor，别人写的就不一定，他可能会简写成roc什么的。为了让别被人也读懂你的代码，最好是统一下。
有个很牛的人叫做“别死磕”，写了很多机器代码，有的是控制显示器画直线，有的控制时间，有的命令只是帮助计算。他把这些命令全部保存起来，都复制给别人用，大家都用，用的人多了，就成了一种语言，叫做”别死磕”。
我们再用”别死磕”编译成更高级的编程语言，比如C，“别死磕”一个命令可以代表上百个机器开关,可以敲3下键盘就画一个圆。C语言一个命令可以代表上百条”别死磕”命令。可以敲2下键盘就画一个奥迪。在C的基础上，我们还搞了C++。机器在翻译的时候，会先将C++翻译成C语言，在把C语言翻译成机器语言。这就是编程。
什么是带宽
刚才说了频率，再回顾一下。频率就是信号的间隔。比如远方船上的旗手，举左手是一个意思，举右手是一个意思，这样我们就不用考虑频率。但是如果对面旗手是残疾人。我们换个说法，你举手是1，不举手是0，这种情况就需要考虑频率了，要不然我怎么知道你3分钟不举手代表几个意思。如果1秒钟采样2次。就是2赫兹。这样的速度对于船上残疾旗手来说已经很快了。表达“你好”两个字只需要半分钟。但是计算机器还要稍快点，每秒三、五十亿次。当然这个是cpu内部的频率。内存到cpu之间、光盘到硬盘之间没这么快。光盘最好理解。光盘上有很多洞。有洞的地方是1，没洞就是0，光盘转起来，光头在上面扫过读信息。转速不能再提高，但读的效率可以再提高，就是再增加一个光头(就这个意思)。对了，读取信息还要用线来传输，比如拷贝到硬盘内存什么的。多了个光头，就多条线呗。一条线不行两条。线多了不好收拾就粘成一排，7、8条线粘成一排看上去就像一条带子有没有。线越多带子就越宽对不对，所以带宽就影响到速度有没有。所以带宽*频率。就是总的效率
16进制
再来，你4条线同时给我传信息，我同时就能收到4个信号。我想只要3个信号都不行。就好比你想买1根牙签，老板说一盒4根不开零。或者看成对面船首站了4位残疾人在打信号，4个信号排列起来就是4位，每个信号两个区别，有信号跟没，就是0和1，这4位机就是4位机。4位你自己算算有多少种变化。不就刚好16种吗，每采样一次，能得到16个符号，英文字母26个，还要区分大写还有标点，16肯定是不够的。所以我们再采样2次。就能得到16*16，256个变化，这样就可以表示英文的一个字母了。采样两次才能成字母，叫字。采样一次只能算一个节奏，所以叫字节。一个中文四个字节，也叫双字。采样一次有16个变化。就记做F,0~9后面是abcdef,刚好，F代表15。0~F ,这就是16进制。
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