计算机工作原理及与工控机的区别东兴

计算机的基本原理是存储程序和程序控制。预先要把指挥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贮器中。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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计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。

程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼(John von Neumann)奠定了现代计算机的基本结构，这一结构又称冯·诺依曼结构，其特点是：

1)使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。

2)存储单元是定长的线性组织。

3)存储空间的单元是直接寻址的。

4)使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。

5)对计算进行集中的顺序控制。

6)计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。

7)采用二进制形式表示数据和指令。

8)在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令(操作者的命令)来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令，其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令(加、减、乘、除等)、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令，整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数(字节编址)。每个在位单元可以存放数据或程序代码，为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在后续的内容中将会着重介绍。

硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。现代计算机还包括中央处理器和总线设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。

中央处理器

CPU(central processing unit)意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。

控制器

控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指令操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。

运算器

运算器又称积极态度逻辑单元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。

存储器

存储器分为内存储器(简称内存或主存)、外存储器(简称外存或辅存)。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。 RAM RAM是随机存取存储器(Random Access Memory)，其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态(Dynamic RAM)和静态(Static RAM)两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。 ROM ROM是只读存储器(Read Only Memory)，它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程(Programmable)ROM、可擦除可编程(Erasable Programmable)ROM、电擦除可编程(Electrically Erasable Programmable)ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内可以反复更改。 特殊固态存储器 包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。 此外，描述内、外存储容量的常用单位有： ①位/比特(bit)：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。 ②字节(B、Byte)：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte=8bit。 ③千字节(KB、Kilo Byte)：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB=1024Byte。 ④兆字节(MB Mega Byte)：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节(MB)为单位。1 MB=1024KB。 ⑤吉字节(GB、Giga Byte)：目前市场流行的微机的硬盘已经达到430GB、640GB、810GB、1TB等规格。1GB=1024MB。 ⑥太字节(TB、Tera byte)：1TB=1024GB。最新有了PB这个概念，1PB=1024TB。

输入输出设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。 输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

总线

总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构通常多采用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB(Address Bus)为地址总线;DB(Data Bus)为数据总线;CB(Control Bus)控制总线。

与工控机的区别

在现代控制中，工控机人使用越来越广，可以遍布各个工控领域。有些工控机和一些具有特殊功能的板卡相结合使用，有些只是完成一普通电脑一样的功能，完全可以用普通电脑来实现它的功能，可为什么我们要采用工控机而不用普通电脑呢在有些可以互换的场合?其实简单说，普通的的家用或办公电脑是民用级的，而工控机是工业级的，它在结构其它方面是有特别要求的。

从外观上看，普通电脑多数是开放的，表现上有较多散热孔，只有一个电源风扇向机箱外吹风以来散热。而工控机机箱(以标准19英寸为例)则是全封闭的，重量上要比普通电脑机箱重好多，说明它用的板材是较厚，较厚的因为更结实，里面不仅仅有一个电源用的风扇，还有一个用来保持，机箱内正压强的风量更更大的内吹风扇。这样外型结构可以防尘(在有关文章里我做过说明)，同时还可屏蔽电磁等对内部的干扰。

从电源来说，正规工控机电源和普通电源是不一样的，它里面采用的电阻电容和线圈等抗冲击抗干扰要比普通家用的高出几级。带载容量也大很多，在一次工作上的小事可以说明问题，在我原来的办公室里我同时用办公电脑工作，一边开着一台工控机在进行程序试实验，我相邻的就是机械技术人员的办公室，里面也有好多办公电脑，这些电脑也在工作，当时我们的机房没有装稳压装置。当我正在我的工控机前试验搅拌站控制程序时，从隔壁传来一阵嘘声和一阵骚动，原来是供电出现了电压波动，而使所有的办公电脑重启，有些人做了一半的工作没保存在叹息。我一看我办室办公电脑也重启了，而我面前的工控机确在依然正常工作。可见工控机的抗电源波动的能力还是比较强的，我拆开这两种电源才现，同样带载能力下的工控机电源里有更大的电感线圈。

从里面结构上看也有明显不同，普通电脑一般只有一个主板，上面有CPU插槽，内存槽等标准配置部件，其它的如独立显卡等则插在主板上的扩展槽上，现在多为PCI插槽，工控机则不同，它有一个较大的母板，也叫无源底板，这块板子上并没有多少集成电路，只有较多的扩展槽，带有CPU的主板要插在这个母板上特殊的插槽里，其它的扩展板也要插在母板上，而不是主板上。这样的好处是有了母板可以更好屏幕掉外界的干扰，因为工控机工作的场合有时比较恶劣，干扰比较多，这样就可以使主析更可靠的工作，同时大的母板更也更容易扩展别的插件。这样设计人员在开发系统时可以有更多的选择，而不用考虑是否有空间放下。

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