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1、总 目 录 第1章 计算机系统概论 第2章 计算机的逻辑部件 第3章 运算方法和运算部件 第4章 主存储器 第5章 指令系统 第6章 中央处理部件CPU 第7章 存储系统 总 目 录 第8章 辅助存储器 第9章 输入输出 I O 设备 第10章 输入输出 I O 系统 第11章 计算机系统 第12章 计算机硬件设计和实现导论 第1章 计算机系统概论 1 1 计算机的语言 1 2 计算机的硬件 1 3 计算机系统的层次结构 1 4 电子计算机的发展简史 1 5 计算机的应用 1 6 计算机网络 习题 1 1 用计算机解决实际问题的过程 人类相互交流信息所用的语言称为自然语言 但是当 前的计算机还
2、不具备理解自然语言的能力 于是人 们希望找到一种和自然语言接近 并能为计算机接 受的语言 这种语言被称为计算机的高级语言 从 计算机的发展历史来看 最初在计算机中使用的不 是高级语言 由于它难以理解 使用困难 因而需 要改进 这样才导致了高级语言的诞生 常用于科学计算和数据处理的高级语言有 C BASIC FORTRAN ALGOL PASCAL COBOL和 Ada等 常用于人工智能的语言有LISP和 PROLOG等 用这些语言编写的程序是由英文字 母 数字 运算符号等按照一定的语法规则组成的 然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言 编写的程序 而是先将其翻译成机器能执行的语言 称为机器
3、语言 由二进制代码表示的指令组成 再在机器上运行 因此解题的过程可归结为 1 程序员用高级语言编写程序 2 将程序与数据输入计算机 并由计算机将程序翻 译成机器语言程序 保存在计算机的存储器中 3 运行程序 输出结果 存储器是计算机中用以存放原始数据 程序以及中间 运算结果的设备 最后的处理结果也往往先暂时存 放在存储器中 然后再输送出去 存储器分成一个 个单元 每个单元有自己的编号 称为该单元的地 址 数据或指令以二进制代码形式存放在存储器中 在计算机中能执行的程序是由指令组成的 因此计算 机执行程序的过程 实际上就是按照给定次序执行 一组指令的过程 一条指令通常分成两部分 1 操作码规定该
4、指令执行什么样的运算 或操作 因此被命名为操作码 2 地址码规定对哪些数据进行运算 通常表示的是 数据地址 因此被称为地址码 由于二进制码不易辨认 因此往往用符号来表示一条 指令 用机器语言编写程序 比用高级语言麻烦得多 因为 一条机器指令的功能比一条高级语言的语句功能弱 很多 1 2 计算机的硬件 组成计算机的基本部件有中央处理器CPU 运算器和 控制器 存储器和输入输出设备 输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序 输入的信息有数字符 字母和控制符等 人们经常 用8位二进制码来表示一个数字符 0 9 一个字母 A B C X Y Z 或其他符号 当前通用 的是ASCII码 它用七位二进
5、制码来表示一个字符 最高的一位可用于奇偶校验或作其他用处 在计 算机中 一般把8位二进制码称为一个字节 输出设备用来输出计算机的处理结果 最常用的输入 输出设备是显示终端和打印机 终端设备采用键盘 作为输入工具 处理结果显示在屏幕上 而打印机 则将结果打印在纸上 除此以外 为了监视人工输 入信息的正确性 在用键盘输入信息时 将刚输入 的信息显示在屏幕上 如有错误 可及时纠正 存储器用来存放程序和数据 是计算机各种信息的存 储和交流中心 存储器可与CPU 输入输出设备交 换信息 起存储 缓冲 传递信息的作用 存储器又有主存储器和辅助存储器之分 当前在计算 机上运行的程序和数据是存放在主存储器中的
6、 中央处理器又叫CPU 在早期的计算机中分成运算 器和控制器两部分 由于电路集成度的提高 现在 已把它们集成在一个芯片中 运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件 经常 进行的是算术运算和逻辑运算 所以在其内部有一 个算术及逻辑运算部件 ALU 算术运算是按照算 术规则进行的运算 例如加 减 乘 除 求绝对 值 求负值等 逻辑运算一般是指非算术性质的运 算 例如比较大小 移位 逻辑乘 逻辑加等 在 计算机中 一些复杂的运算往往被分解成一系列算 术运算和逻辑运算 控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化 即实现程序的自动执行 在控制器控制之下 从输 入设备输入程序和数据 并自动存放在存储器中
7、 然后由控制器指挥各部件协同工作以执行程序 最 后将结果打印输出 作为控制用的计算机则直接控 制对象 在计算机中 各部件间来往的信号可分成三种类型 即地址 数据和控制信号 通常这些信号是通过总 线传送的 如图1 1所示 图1 1 以总线连接的计算机框图 CPU发出的控制信号 经控制总线送到存储器和输 入输出设备 控制这些部件完成指定的操作 与此 同时 CPU 或其他设备 经地址总线向存储器或输 入输出设备发送地址 使得计算机各个部件中的数 据能根据需要互相传送 输入输出设备和存储器有 时也向CPU送回一些信号 CPU可根据这些信号来 调整本身发出的控制信号 现代计算机还允许输入 输出设备直接向
8、存储器提出读写要求 控制数据传 送 1 3 计算机系统的层次结构 现代计算机解题的一般过程 用户用高级语言编写程 序 连同数据一起送入计算机 用户程序一般称为 源程序 然后由计算机将其翻译成机器语言程序 称为目标程序 在计算机上运行后输出结果 其 过程如图1 2所示 图1 2 计算机的解题过程 早期的计算机只有机器语言 用户必须用二进制码表 示的机器语言编写程序 工作量大 容易出错 而 且对程序员的要求很高 于是在20世纪50年代 出 现了符号式程序设计语言 称为汇编语言 对此 程序员可用ADD SUB MUL DIV等符号分别 表示加法 减法 乘法 除法的操作码 并用符号 来表示指令和数据的
9、地址 汇编语言程序的大部分 语句是和机器指令一一对应的 用户用汇编语言编 写程序后 依靠计算机将它翻译成机器语言 二进 制代码 然后再在计算机上运行 这个翻译过程 是由汇编程序实现的 可以把一台具有汇编程序的计算机看作是在实际机器 级 硬件 之上出现的一台虚拟机器 该机允许使用 汇编语言编程 称它为虚拟机器的原因是因为它依 靠了软件 汇编程序 才存在 由于汇编语言的语法 语义结构仍然和机器语言基本 一样 而与人的传统解题方法相差甚远 因而又出 现了面向题目的高级语言 随同研制出来的是这些 语言的翻译程序 因此可以设想在汇编语言级之上 又出现了高级语言级 它的实现是先把高级语言程 序翻译成汇编语
10、言程序或中间语言程序 然后再翻 译成机器语言程序 图1 3 图1 3 高级语言虚拟机器的层次结构 翻译程序有编译程序和解释程序两种 编译程序是将编写的源程序中全部语句翻译成机器语 言程序后 再执行机器语言程序 假如一个题目需 要重复计算几遍 那么一旦翻译以后 只要源程序 不变 不需要再次进行翻译 但源程序若有任何修 改 都要重新经过编译 解释程序则是在将源程序的一条语句翻译成机器语言 以后立即执行它 然后再翻译执行下一条语句 它 的特点是翻译一次只能执行一次 当第二次重复执 行该语句时 要重新翻译 因而效率较低 ALGOL FORTRAN PASCAL等语言是用编译 程序进行翻译的 BASIC
11、语言有解释和编译两种 在20世纪80年代出现了第4代语言 4GL 这一名词 到90年代 大量基于数据库管理系统的4GL商品化 软件已在计算机开发应用领域中获得广泛应用 它 以数据库管理系统所提供的功能为核心 进一步构 造了开发高层应用软件系统的开发环境 例如 菜 单生成 报表生成和多窗口表格设计系统 图形 图像处理系统 决策支持系统等 一般我们把汇编 语言称为第一代语言1GL 2GL是高级程序设计语 言 如FORTRAN ALGOL BASIC等 3GL是增 强性的高级程序设计语言 如PASCAL ALGOL68 FORTRAN77等 4GL具有简单易学 用户界面友好 面向问题 只需 告诉计算
12、机 做什么 而不必告诉计算机 怎么做 应用软件开发效率高等优点 但也存在严重的不 足 目前4GL主要面向基于数据库应用的领域 不 适宜于科学计算 高速的实时系统和系统软件开发 在上述虚拟机器M2与实际机器M1之间还存在一种称 为操作系统的软件 操作系统是从早期的管理程序 发展而来的 是专门用来管理和控制计算机系统的 软件和硬件资源的 操作系统合理地组织计算机的 工作流程 以提高计算机系统资源的利用率 并提 供给用户使用计算机的良好界面 使用户不必了解 硬件和软件的细节就可方便地使用计算机 操作系统本身也是一组程序 它一般是由系统程序员 用C语言或汇编语言编写的 经翻译成机器语言后 再存入计算机
13、中 操作系统的功能是通过操作系统 的命令 例如DOS磁盘操作系统 或图形人机界面 例 如Windows窗口 实现的 Windows提供了一种基 于图形人机界面的窗口式多任务操作环境 通过对 环境中各种图形和符号的简单操作 实现了对计算 机的使用 因此操作系统可看作实际机器的扩充 在计算机系统的多级层次结构中应占有一个席位 它的位置应在实际机器之上 汇编语言机器级之下 图1 4是计算机系统的多级层次结构 图1 4 计算机系统的多级层次结构 1 4 电子计算机的发展简史 20世纪40年代 无线电技术和无线电工业的发展为电 子计算机的研制准备了物质基础 1943年 1946年 美国宾夕法尼亚大学研制
14、的电子数字积分的计算机 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer 是世界上第一台电子计算机 一般认为 它是现代计算机的始祖 ENIAC计算机共用18 000多个电子管 1 500个继电 器 重达30吨 占地170平方米 耗电140kW 每 秒钟能计算5 000次加法 领导研制的是埃克特 J P Eckert 和莫克利 J W Mauchly ENIAC计算 机存在两个主要缺点 一是存储容量太小 只能存 20个字长为10位的十进制数 二是用线路连接的方 法来编排程序 因此每次解题都要依靠人工改接连 线 准备时间大大超过实际计算时间 与E
15、NIAC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 一般认为冯 诺依曼 机具有如下基本特点 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 即程序计数器PC 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
16、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 50多年来 随着技术的发展和新应用领域的开拓 对 冯 诺依曼机作了很多改革 使计算机系统结构有 了很大新发展 如某些机器程序与数据分开存放在 不同的存储器中 程序不允许修改 机器不再以运 算器为中心 而是以存储器为中心等等 虽然有以 上这些突破 但原则变化不大 习惯上仍称之为冯 诺依曼机 50年来 根据电子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 相邻两代计算机之间时间上有重叠 第一代 电子管计算机时代 从1946年第一台计算机 研制成功到50年代后期 其主要特点是采用电子 管作为基本器件 在这一时期 主要为军事与国防 尖端技术的需要而研制计算机 并进行有关的研究 工作 为计算机技术的发展奠定了基础 其研究成 果扩展到民用 又转为工业产品 形成了计算机工 业 50年代中期 美国IBM公司在计算机行业中崛起 1954年12月推出的IBM650 小型机 是第一代计算机 中行销最广的机器 销售量超过1000台 1958年11 月问世的IBM709 大型机 是IBM公司
