計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識D01-04

1、第一章 計(jì)算機(jī)的基本知識第四節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述11.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.4.1 計(jì)算機(jī)的組成1.4.2 計(jì)算機(jī)的工作原理1.4.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4.4 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言21.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.4.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 到目前為止，計(jì)算機(jī)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(jì)思想，即計(jì)算機(jī)由五個(gè)基本部分組成：運(yùn)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(shí)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(yùn)算器主機(jī)CPU圖1.3 馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)基本組成4 通常，人們把運(yùn)算器、控制器和存儲器合起來統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的主機(jī)， 而把各種輸入

2、和輸出設(shè)備（I/O）統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。5 1.運(yùn)算器(Arithmetic Logic Unit) _進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及其它運(yùn)算 運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)中對信息進(jìn)行加工、運(yùn)算的部件，它的速度決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。計(jì)算器的功能是對二進(jìn)制編碼進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）和邏輯運(yùn)算（與、或、非、移位等）。參與運(yùn)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(yùn)算器。 運(yùn)算器由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、寄存器和一些控制門等組成。算術(shù)邏輯運(yùn)算單元通過算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算選擇來進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算。寄存器用來提供參與運(yùn)算的操作數(shù)，并存放運(yùn)算結(jié)果。哪些數(shù)參與運(yùn)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(jì)算機(jī)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(shí)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(jìn)行翻譯，然后向各個(gè)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(gè)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(jì)算機(jī)各個(gè)部件進(jìn)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(jì)數(shù)器以及其他的一些電路組成。73、存儲器(Memory) 存儲器是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中的工作存儲器，即當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)都必須放在主存中。計(jì)算機(jī)工作時(shí)，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有信息。計(jì)算機(jī)實(shí)際執(zhí)行程序和加工處理數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。 它的任務(wù)是向計(jì)算機(jī)提供原始的信息，如文字、圖形、聲音等，并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的和接收的信息方式，如電信號、二進(jìn)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(jì)算機(jī)中輸送出人可直接識別的信息的設(shè)備。它的功能是將計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)、計(jì)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(jì)算機(jī)的工作原理。 先把計(jì)算公式、解題步驟和原始數(shù)據(jù)列出如下：111.4.2 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)處理信息。控制器根據(jù)在存儲器中的程序，自動(dòng)地指揮計(jì)算機(jī)的各組成部分進(jìn)行下列操作：13（1）從存儲器中取出被乘數(shù)6，送到運(yùn)算器；（2）從存儲器中取出乘數(shù)2送到運(yùn)算器，與運(yùn)算器中的6想乘，中間結(jié)果12暫時(shí)存放在運(yùn)算器中；（3）從存儲器中取出數(shù)18送到運(yùn)算器中，與運(yùn)算器中的12作減法運(yùn)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(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地處理信息，是因?yàn)槿藗兪孪葹樗幹屏顺绦?，并把程序中的一系列指令按一定順序存放到存儲器中。?jì)算機(jī)工作時(shí)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(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)，確定了各代計(jì)算機(jī)的基本模式，為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的基本組成和信息通路，如上圖所示。 15 1.4.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)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(yùn)算器 中央處理器 控制器 主機(jī) 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(gè)完整的 操作系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)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(yùn)行、管理、維護(hù)） 程序設(shè)計(jì)語言 應(yīng)用軟件17 硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物資基礎(chǔ)，軟件是發(fā)揮機(jī)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(jī)電物理裝置組成的物理實(shí)體。硬件系統(tǒng)包括有組成計(jì)算機(jī)的主機(jī)的存儲器、運(yùn)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(shí)體，計(jì)算機(jī)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(jī)器，我們把它稱為“裸機(jī)”，裸機(jī)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(yùn)行、管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的基本軟件，一般由計(jì)算機(jī)廠家提供。為了使用和管理計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)內(nèi)通常設(shè)置了各種標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jì)，有的計(jì)

10、算機(jī)廠家也提供應(yīng)用軟件。191.4.4 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言 編寫計(jì)算機(jī)程序所用的語言即為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它是人與計(jì)算機(jī)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(jī)器語言、匯編語言和高級語言三類。1、機(jī)器語言 機(jī)器語言是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)所能識別的、不需翻譯、直接供機(jī)器使用的程序語言，也稱為手編語言。通常隨計(jì)算機(jī)型號不同而不同。機(jī)器語言中的每一條語句（即機(jī)器指令）實(shí)際上是一條二進(jìn)制形式的指令代碼，由操作碼和操作地址組成，其格式是：機(jī)器語言程序是唯一能被計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)器語言（二進(jìn)制代碼）。正是這種替代使得機(jī)器語言變得“符號化”，所以匯編語言也稱為符號語言。但機(jī)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(jī)器語言程序，機(jī)器才能執(zhí)行。這一過程稱為匯編。匯編語言程序比機(jī)器語言程序易讀、易修改和檢查，同時(shí)也保持了機(jī)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(diǎn)。但在編制復(fù)雜、程度較高的程序時(shí)，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(jī)器，故不具備通用性和可移植性。 機(jī)器語言與匯編語言和計(jì)算機(jī)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(jī)器的語言。213、

12、高級語言 高級語言是20世紀(jì)50年代中末期發(fā)展起來的面向問題的程序設(shè)計(jì)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(jī)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(diǎn)是可用類似英語的語法進(jìn)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(dá)式表示實(shí)際的計(jì)算。高級語言獨(dú)立于具體的機(jī)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(jī)器語言程序（目標(biāo)程序）可以直接為機(jī)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)