设计与工作原理
计算机技术的发展经历了从机械式计算器到电子计算机的漫长历程,在早期的计算机中，非存储程序控制原理占据了重要地位，与后来的存储程序控制原理相比，非存储程序控制原理的计算机在结构、工作方式和性能上有着显著的特点，本文将详细介绍非存储程序控制原理下的计算机的设计与工作原理。
非存储程序控制原理
非存储程序控制原理,也称为硬布线逻辑控制原理，是指计算机的控制器不存储程序，而是通过硬布线逻辑电路直接控制计算机的各个部件，在这种控制方式下，计算机的指令序列由操作员通过控制台输入，控制器根据指令序列直接控制计算机执行相应的操作。
非存储程序控制原理下的计算机结构
输入设备
非存储程序控制原理下的计算机通常配备有键盘、纸带输入机和卡片输入机等输入设备，操作员通过这些设备将指令和数据输入到计算机中。
输出设备
计算机的输出设备包括打印机、显示器和磁带机等，计算机将处理结果输出到这些设备上，以便操作员查看。
控制器
控制器是计算机的核心部件,负责解释和执行指令，在非存储程序控制原理下，控制器由硬布线逻辑电路构成，包括指令寄存器、运算器、时序电路等。
运算器
运算器负责执行算术运算和逻辑运算,在非存储程序控制原理下，运算器通常由算术逻辑单元（ALU）和累加器等组成。
存储器
存储器用于存储指令和数据,在非存储程序控制原理下，存储器分为指令存储器和数据存储器，指令存储器用于存储指令序列，数据存储器用于存储数据。
非存储程序控制原理下的计算机工作原理
输入指令
操作员通过输入设备将指令序列输入到计算机中,控制器读取指令序列，将其存储在指令寄存器中。
执行指令
控制器根据指令寄存器中的指令,通过硬布线逻辑电路控制运算器和存储器执行相应的操作，加法指令会触发运算器进行加法运算，并将结果存储在数据存储器中。
输出结果
计算机将处理结果输出到输出设备上,操作员通过输出设备查看处理结果。
循环执行
在非存储程序控制原理下,计算机的指令序列是预先设定的，控制器按照指令序列循环执行，直到完成所有操作。
非存储程序控制原理的优缺点
优点
（1）结构简单：非存储程序控制原理下的计算机结构相对简单，易于实现。
（2）可靠性高：硬布线逻辑电路具有较高的可靠性，不易出现故障。
（3）执行速度快：硬布线逻辑电路的执行速度较快，有利于提高计算机的运行效率。
缺点
（1）灵活性差：非存储程序控制原理下的计算机灵活性较差，难以适应复杂多变的应用场景。
（2）扩展性差：由于硬布线逻辑电路的限制，非存储程序控制原理下的计算机扩展性较差。
非存储程序控制原理下的计算机在计算机发展史上具有重要地位,虽然其结构简单、可靠性高，但灵活性差、扩展性差等缺点限制了其应用范围，随着存储程序控制原理的出现，非存储程序控制原理逐渐被淘汰，了解非存储程序控制原理下的计算机设计与工作原理，对于理解计算机发展历程和现代计算机技术具有重要意义。
计算机技术的主要用途
随着计算机技术的日新月异的飞速发展，计算机的应用领域也越来越宽广。 从工业、农业、商业、军事、银行到各类学校，从国家政府机关到每个家庭的日常生活，计算机几乎无处不在。 概括起来，计算机应大致可分为如下几个方面。 ◎ 1.科学计算 科学计算也称数值计算，这是计算机的重要应用领域之一。 第一台计算的研制目的就是用于弹道计算的，计算机为科学计算机而诞生，为科学计算而发展。 今天的航天飞机，人造卫星，原子反应堆，天气预报，高层建筑，大型桥梁，地震测极，地质勘探和机械设计等都离不开计算机的科学计算。 如果没有计算机，如此巨大，繁多的计算工作量单靠人类自身的能力是绝对无法完成的。 科学计算的特点：计算量大和数值变化范围广。 对计算机的要求：要求计算机的高速度、高精度、大容量存储和高自动化性能。 ◎ 2.数据处理 数据处理是计算机应用中最广泛的领域，是计算机应用的主流，据不完全统计，全球80%的计算机用于数据处理。 数据处理是指用计算机对生产和经营活动、社会科学研究中的大量信息进行收集、转换、分类、统计、处理、存储传输和输出的处理。 数据处理是一切信息管理、辅助决策系统的基础，各类管理信息系统、决策支持系统，专家系统以及办公自动化系统都属于数据处理的范畴。 数据处理的特点：数据较入输出量大，而计算相对简单得多。 对计算机的要求：要求计算机方便灵活的输入输出设备和方法。 ◎ 3.自动控制 过去工业控制主要采用模拟电路，响应速度慢、精度低。 现在逐步被微型机控制所代替，微机控制系统把工业现场的模拟量、开关量以及脉冲量经由放大电路和A/D D/A转换电路送给微型机，由微型机进行数据采集，显示以及控制现场。 如大型化工企业中自动采集工艺参数，进行检验、比较，以便于控制工艺流程，大型冶金企业中的高炉炼铁控制，钢材轧制控制，数控机床控制，电炉温度控制，国防工业中的导道检测控制，飞机和舰艇的分布式控制系统等等。 单片机的应用开辟了实时控制的更加广泛的领域，它替代了仪器仪表的功能，具有可程控，数据处理和对外接口的能力，众多的计算机必备部件集成于一片小小的芯片上，使大量仪器表实现了微型化、智能化，将自动控制的应用推上一个更高的台阶。 特点：高实时性和高可靠性。 对计算机的要求：要求计算机实时性和可靠性要好，模/数、数/模转换功能要好。 ◎ 4.计算机辅助系统 CAD,Computer Aided Design，计算机辅助设计 CAM,Computer Aided Manage，计算机辅助制造 CAE,Computer Aided Engineering，计算机辅助工程 CIMS,Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统 CAI,Computer Aided Instruction，计算机辅助教学 CAD/CAM是工程设计和工业制造部门计算机应用的重要领域。 CAD/CAM是工程设计人员和工艺设计人员在计算机系统的辅助下，根据一定的设计和制造流程进行产品设计和产品加工工作的一项专门技术。 工程设计人员利用CAD系统，通过人机交互操作方式进行产品设计构思、产品总体设计、技术资料编制、零部件结构图绘制等工作；而工艺设计人员则可利用CAD提供的功能，进行零部件加工路径的控制和加工状况预显示，以及生成零部件加工信息或数控程序供数控机床加工零部件。 CAD/CAM技术取代了传统的从图纸设计到加工流程编制和调试的手工设计及操作过程，使设计效率、加工精度，产品质量大大提高。 CAD/CAM的特点：需进行大量的交互式操作。 对计算机的要求：要有良好的图形功能和较高的响应速度。 ◎ 5.人工智能 人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是研究如何利用计算机模仿人的智能，并在计算机与控制论学科上发展起来的边缘学科。 围绕AI的应用主要表现在机器人研究、专家系统、模式识别、智能检索、自然语言处理、机器翻译、定理证明等方面。 如果说蒸汽机的出现，解决了人们的体力劳动，那么，计算机则代替的人的部分脑力劳动，从最早的1959年IBM公司的编制的具有自学能力的跳棋程序，到20世纪80年代开始的智能计算机研究都属于这一类研究的一部分。 除了上述介绍的各种应用外，计算机还在辅助教学、多媒体技术、文化艺术和家庭生活等方面有着广泛的应用。 随着社会发展的需要，计算机的应用领域在广度和深度两个方面正在无上境的发展着。
存储程序的原理是什么？
存储程序原理又称“冯·诺依曼原理”（1946年提出）。 将程序像数据一样存储到计算机内部存储器中的一种设计原理。 程序存入存储器后，计算机便可自动地从一条指令转到执行另一条指令。 现代电子计算机均按此原理设计。 首先：把程序和数据通过输入输出设备送入内存。 一般的内存都是划分为很多存储单元，每个存储单元都有地址编号，这样按一定顺序把程序和数据村起来，而且还把内存分为若干个区域，比如有专门存放程序区和专门存放数据的数据区。 其次：执行程序，必须从第一条指令开始，以后一条一条地执行。 一般情况下按存放地址号的顺序，由小到大依次执行，当遇到条件转移指令时，才改变执行的顺序。 每执行一条指令，都要经过三个步骤：第一步，把指令从内存中送往译码器，称为取指；第二步，译码器把指令分解成操作码和操作数，产生相应的各种控制信号送往各电器部件；第三步，执行相应的操作。 这一过程是由电子路线来控制，从而实现自动连续的工作。
计算机是怎样被发明创造出来的?
现代计算机的诞生和发展 现代计算机问世之前，计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机四个阶段。 早在17世纪，欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行基本运算的数字计算机。 1642年，法国数学家帕斯卡采用与钟表类似的齿轮传动装置，制成了最早的十进制加法器。 1678年，德国数学家莱布尼兹制成的计算机，进一步解决了十进制数的乘、除运算。 英国数学家巴贝奇在1822年制作差分机模型时提出一个设想，每次完成一次算术运算将发展为自动完成某个特定的完整运算过程。 1884年，巴贝奇设计了一种程序控制的通用分析机。 这台分析机虽然已经描绘出有关程序控制方式计算机的雏型，但限于当时的技术条件而未能实现。 巴贝奇的设想提出以后的一百多年期间，电磁学、电工学、电子学不断取得重大进展，在元件、器件方面接连发明了真空二极管和真空三极管；在系统技术方面，相继发明了无线电报、电视和雷达……。 所有这些成就为现代计算机的发展准备了技术和物质条件。 与此同时，数学、物理也相应地蓬勃发展。 到了20世纪30年代，物理学的各个领域经历着定量化的阶段，描述各种物理过程的数学方程，其中有的用经典的分析方法已根难解决。 于是，数值分析受到了重视，研究出各种数值积分，数值微分，以及微分方程数值解法，把计算过程归结为巨量的基本运算，从而奠定了现代计算机的数值算法基础。 社会上对先进计算工具多方面迫切的需要，是促使现代计算机诞生的根本动力。 20世纪以后，各个科学领域和技术部门的计算困难堆积如山，已经阻碍了学科的继续发展。 特别是第二次世界大战爆发前后，军事科学技术对高速计算工具的需要尤为迫切。 在此期间，德国、美国、英国部在进行计算机的开拓工作，几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。 德国的朱赛最先采用电气元件制造计算机。 他在1941年制成的全自动继电器计算机Z-3，已具备浮点记数、二进制运算、数字存储地址的指令形式等现代计算机的特征。 在美国，1940～1947年期间也相继制成了继电器计算机MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等。 不过，继电器的开关速度大约为百分之一秒，使计算机的运算速度受到很大限制。 电子计算机的开拓过程，经历了从制作部件到整机从专用机到通用机、从“外加式程序”到“存储程序”的演变。 1938年，美籍保加利亚学者阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运算部件。 1943年，英国外交部通信处制成了“巨人”电子计算机。 这是一种专用的密码分析机，在第二次世界大战中得到了应用。 1946年2月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机(ENIAC)，最初也专门用于火炮弹道计算，后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。 这台完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存储的计算机，运算速度比继电器计算机快1000倍。 这就是人们常常提到的世界上第一台电子计算机。 但是，这种计算机的程序仍然是外加式的，存储容量也太小，尚未完全具备现代计算机的主要特征。 新的重大突破是由数学家冯·诺伊曼领导的设计小组完成的。 1945年3月他们发表了一个全新的存储程序式通用电子计算机方案—电子离散变量自动计算机(EDVAC)。 随后于1946年6月，冯·诺伊曼等人提出了更为完善的设计报告《电子计算机装置逻辑结构初探》。 同年7～8月间，他们又在莫尔学院为美国和英国二十多个机构的专家讲授了专门课程《电子计算机设计的理论和技术》，推动了存储程序式计算机的设计与制造。
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