計算機基礎(chǔ)知識D01-04

1、第一章 計算機的基本知識第四節(jié) 計算機系統(tǒng)概述11.4 計算機系統(tǒng)概述1.4.1 計算機的組成1.4.2 計算機的工作原理1.4.3 計算機系統(tǒng)1.4.4 計算機程序設(shè)計語言21.4 計算機系統(tǒng)概述1.4.1 計算機的基本結(jié)構(gòu) 到目前為止，計算機的基本結(jié)構(gòu)仍沿用著名美籍匈牙利科學(xué)家馮.諾依曼提出的設(shè)計思想，即計算機由五個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。如圖1.3 所示，其中虛線為數(shù)據(jù)信息流，實線為控制信息流。 3輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器控制器運算器主機CPU圖1.3 馮.諾依曼型計算機基本組成4 通常，人們把運算器、控制器和存儲器合起來統(tǒng)稱為計算機的主機， 而把各種輸入

2、和輸出設(shè)備（I/O）統(tǒng)稱為計算機外部設(shè)備。5 1.運算器(Arithmetic Logic Unit) _進行算術(shù)運算、邏輯運算以及其它運算 運算器是計算機中對信息進行加工、運算的部件，它的速度決定了計算機的運算速度。計算器的功能是對二進制編碼進行算術(shù)運算（加、減、乘、除）和邏輯運算（與、或、非、移位等）。參與運算的數(shù)（稱為操作數(shù)）由控制器指示從存儲器或寄存器內(nèi)取到運算器。 運算器由算術(shù)邏輯運算單元、寄存器和一些控制門等組成。算術(shù)邏輯運算單元通過算術(shù)運算或邏輯運算選擇來進行算術(shù)邏輯運算。寄存器用來提供參與運算的操作數(shù)，并存放運算結(jié)果。哪些數(shù)參與運算，由輸入控制門的條件決定。6 2.控制器(Co

3、ntrol Unit)_傳送或接收各種控制信號 控制器是計算機的核心部件，它的功能是指示程序的執(zhí)行過程，即決定在什么時間根據(jù)什么條件做什么事情。 控制器從存儲器中按順序取出指令，并對指令代碼進行翻譯，然后向各個部件發(fā)出相應(yīng)的命令，使指令規(guī)定的操作得以執(zhí)行。它一方面向各個部件發(fā)出執(zhí)行指令的命令，另一方面又接收“執(zhí)行部件”向控制器發(fā)回的有關(guān)指令執(zhí)行情況的反饋信息，控制器根據(jù)這些信息來決定下一步發(fā)出哪些操作命令。因此，控制器是統(tǒng)一指揮和控制計算機各個部件進行工作的“神經(jīng)中樞”。 控制器由指令寄存器、指令譯碼器、指令計數(shù)器以及其他的一些電路組成。73、存儲器(Memory) 存儲器是計算機中用于記憶的

4、部件，它的功能是存儲程序和數(shù)據(jù)。 存儲器分為兩大類：主存儲器（簡稱主存）和輔助存儲器（簡稱輔存）。主存是存取速度快而容量相對教小的一類存儲器；輔存則是存取速度較慢而容量相對很大的一類存儲器。8 主存儲器又稱內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存），它直接與CPU相連接，是計算機中的工作存儲器，即當(dāng)前正在運行的程序和數(shù)據(jù)都必須放在主存中。計算機工作時，所執(zhí)行的指令及操作數(shù)都是從主存中取出的，處理的結(jié)果則放在主存中。 輔助存儲器也稱外存儲器（簡稱外存），其存儲容量很大，存放著計算機系統(tǒng)中幾乎所有信息。計算機實際執(zhí)行程序和加工處理數(shù)據(jù)時，輔助存儲器中的信息需要先讀入主存后才能被CPU使用。94、輸入設(shè)備(Input D

5、evice)輸入設(shè)備是指向計算機輸入信息的設(shè)備。 它的任務(wù)是向計算機提供原始的信息，如文字、圖形、聲音等，并將其轉(zhuǎn)換成計算機能識別的和接收的信息方式，如電信號、二進制編碼等，并順序地把它們送入存儲器中。105、輸出設(shè)備(Output Device) 輸出設(shè)備是指從計算機中輸送出人可直接識別的信息的設(shè)備。它的功能是將計算機處理的數(shù)據(jù)、計算結(jié)果等內(nèi)部信息，轉(zhuǎn)換成人們習(xí)慣接受的信息形式（如字符、圖形、聲音等），然后將其輸出。我們以下面的例子說明計算機的工作原理。 先把計算公式、解題步驟和原始數(shù)據(jù)列出如下：111.4.2 計算機的工作原理（存儲程序原理）公式： Y=A-BC 解題步驟：先做BC，再做A

6、-BC 原始數(shù)據(jù)：A=18， B=6， C=212 第一步：將上述解題步驟及原始數(shù)據(jù)編制成一系列的計算機能夠“懂”的命令。這種命令叫做指令指令的集合叫做程序。 第二步：將程序和原始數(shù)據(jù)，通過輸入設(shè)備輸入到存儲器中存起來（見上圖）。 第三步：讓計算機處理信息?？刂破鞲鶕?jù)在存儲器中的程序，自動地指揮計算機的各組成部分進行下列操作：13（1）從存儲器中取出被乘數(shù)6，送到運算器；（2）從存儲器中取出乘數(shù)2送到運算器，與運算器中的6想乘，中間結(jié)果12暫時存放在運算器中；（3）從存儲器中取出數(shù)18送到運算器中，與運算器中的12作減法運算18-12=6；（4）將最后結(jié)果Y=6送到存儲器。（5）從存儲器中取出

7、最后結(jié)果Y=6，通過輸出設(shè)備顯示在顯示器屏幕上或打印在紙上。 14 可見，計算機能夠自動地處理信息，是因為人們事先為它編制了程序，并把程序中的一系列指令按一定順序存放到存儲器中。計算機工作時按照順序，依次從存儲器中取出各種指令，并按照指令的內(nèi)容去執(zhí)行相應(yīng)的操作，這就是通常所說的“存儲程序原理”。 存儲程序原理 是由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮. 諾依曼于1946年提出的，它奠定了計算機的理論基礎(chǔ)，確定了各代計算機的基本模式，為計算機的不斷發(fā)展開拓了無限的前景。從存儲程序出發(fā)得到的馮. 諾依曼型計算機的基本組成和信息通路，如上圖所示。 15 1.4.3 計算機系統(tǒng) 一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系

8、統(tǒng)兩大部分組成的，如下圖所示：16 運算器 中央處理器 控制器 主機 內(nèi)存儲器 硬件系統(tǒng) （存儲、執(zhí)行程序） 輸入設(shè)備 外部設(shè)備 輸出設(shè)備 外存儲器 一個完整的 操作系統(tǒng) 計算機系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)軟件 系統(tǒng)軟件 編譯軟件 （使用、管理） 診斷軟件 軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)服務(wù)程序 （運行、管理、維護） 程序設(shè)計語言 應(yīng)用軟件17 硬件是計算機系統(tǒng)的物資基礎(chǔ)，軟件是發(fā)揮機器功能的關(guān)鍵。1、硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)是指由電子線路和各種機電物理裝置組成的物理實體。硬件系統(tǒng)包括有組成計算機的主機的存儲器、運算器和控制器，還有各種輸入輸出設(shè)備及總線。對于這種物理實體，計算機術(shù)語稱為“硬件”或“硬件設(shè)備”。 硬件的功能是為存儲、

9、執(zhí)行程序建立物資基礎(chǔ)，對沒有裝入任何程序的機器，我們把它稱為“裸機”，裸機是無法完成任何信息處理任務(wù)的。18 2、軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是指為了運行、管理、維護計算機所編制的各種程序的集合。軟件系統(tǒng)按其功能可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。（1）系統(tǒng)軟件是指計算機的基本軟件，一般由計算機廠家提供。為了使用和管理計算機而編制的各種程序統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)、匯編語言、解釋程序、編譯程序、診斷程序及程序庫等。在計算機內(nèi)通常設(shè)置了各種標準子程序，這些子程序的總和就形成了程序庫。（2）應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件是專門為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域里的總體任務(wù)而編制的程序。應(yīng)用程序一般由用戶自行設(shè)計，有的計

10、算機廠家也提供應(yīng)用軟件。191.4.4 計算機程序設(shè)計語言 編寫計算機程序所用的語言即為計算機程序設(shè)計語言，它是人與計算機之間交換信息的工具，是軟件系統(tǒng)的重要組成部分。它一般分為機器語言、匯編語言和高級語言三類。1、機器語言 機器語言是計算機硬件系統(tǒng)所能識別的、不需翻譯、直接供機器使用的程序語言，也稱為手編語言。通常隨計算機型號不同而不同。機器語言中的每一條語句（即機器指令）實際上是一條二進制形式的指令代碼，由操作碼和操作地址組成，其格式是：機器語言程序是唯一能被計算機直接識別的程序，執(zhí)行速度快，但編寫難度大，調(diào)試修改煩瑣。 操作碼 操作地址(或操作數(shù))202、匯編語言 匯編語言是一種面向機器

11、的程序語言。在匯編語言中，用助記符（英文或英文縮寫）代替機器語言（二進制代碼）。正是這種替代使得機器語言變得“符號化”，所以匯編語言也稱為符號語言。但機器不能直接識別使用這種語言編寫的程序，要由一種起翻譯作用的程序?qū)⑵浞g成機器語言程序，機器才能執(zhí)行。這一過程稱為匯編。匯編語言程序比機器語言程序易讀、易修改和檢查，同時也保持了機器語言編程質(zhì)量高、執(zhí)行速度快、占存儲空間小的優(yōu)點。但在編制復(fù)雜、程度較高的程序時，匯編語言存在著明顯的局限性。此外這種語言程序依賴于具體的機器，故不具備通用性和可移植性。 機器語言與匯編語言和計算機有著十分密切的關(guān)系，因此稱它們?yōu)榈图壵Z言，或稱為面向機器的語言。213、

12、高級語言 高級語言是20世紀50年代中末期發(fā)展起來的面向問題的程序設(shè)計語言。高級語言的指令（或語句）一般都采用自然語言，并且使用與自然語法相近的語法體系，這使得程序更容易閱讀和理解。另一方面，高級語言的指令或語句是面向問題而不是面向機器的，這使得對問題的求解的表述比匯編語言容22易得多，并大大地簡化了程序的編制和調(diào)試，使編程效率可以大幅度提高。面向過程的高級語言又稱算法語言。 高級語言最主要的特點是可用類似英語的語法進行編程；還可以按名存放處理的數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)具體的存放地址；可以用常用的數(shù)字表達式表示實際的計算。高級語言獨立于具體的機器系統(tǒng)，因此較匯編語言程序而言，通用性和可移植大為提高。 常用的高級語言有FORTRAN，PASCAL，BASIC，C，C+ +，Prolog，Lisp等。 高級語言直觀、易讀、易懂、易調(diào)試，便于移植。23 但要注意：除機器語言程序（目標程序）可以直接為機器識別外，無論是匯編語言程序還是高級語言程序（源程序），都必須經(jīng)