C++语言程序设计

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1、1基本概述電腦的基本架構和運作方式 C+ 有別於其它程式語言的一 些特性12/61基本概述 n1.1 電腦的發明和演進 n1.2 電腦的基本架構 n1.3 馮紐曼架構 n1.4 電腦內部的資料表達方式n1.5 軟體 n1.6 程式語言 n1.7 C+ 程式語言 n1.8 程式語言的演進 31.1 電腦的發明和演進 最早的計算機n十七世紀法國Blaise Pascal在1642年發明的齒 輪 式加法計算器。n英國的Charles Babbage於1830年進一步開發 差 分機，以進行多項式的計算。4電腦的演進名稱時間特徵第一代電腦19451950使用真空管 機器語言第二代電腦19501965電晶

2、體 磁蕊記憶體 Assembler和compiler出現第三代電腦19651975IC 作業系統出現 迷你電腦第四代電腦1975現在微處理機發明 工作站電腦 超級電腦5現代計算機構造的起源 在英國Charles Babbage的構想裏，計算機 分為四個部份協調運作： 1. 輸入與輸出單元 2. 處理與計算單元 3. 控制單元 4. 儲存單元6Intel公司對於電腦科技的三項重大貢獻n微處理機 (microprocessor)nDRAMnEPROM (電壓可抹寫式唯讀記憶體Electrically Programmable Read-Only Memory)。7摩爾定律 (Moores law)

3、n不管是記憶單元的容量，CPU內的元件數量， 或是CPU的運算速度，都以每一年半增加一倍 的驚人速度快速成長。8電腦的分類 n超級電腦 (supercomputer)n大型電腦 (mainframe)n迷你電腦 (minicomputer) n工作站 (workstation) n微電腦 (microcomputer)n聰明隨身裝置 (smart handhold devices)9數位電腦和類比電腦n數位式 (digital) 和類比式 (analog)。n在 TTL 的標準裏，0.0 V 0.4 V代表 0，而 2.4 V 5.0 V代表 1；在 EIA 的標準下，-15 V -3V 代表

4、 0，而3 V 15 V代表 1。n電腦通常指的是數位式電腦。10電腦的硬體和軟體n硬體 (hardware): 用來構成電腦系統的組成部 份，具有體積和質量。n軟體 (software): 能在電腦上執行的程式或是能 被電腦取用的資料，不具有體積或質量。11電腦的架構 可以區分為下列五個主要的部份： 1. CPU (中央處理器，Central Processing Unit) 2. 主記憶體 (main memory) 3. 儲存裝置 (storage devices) 4. I/O裝置 (輸入/輸出裝置，input-output devices) 5. 匯流排 (bus) 12電腦基本組成

5、的關聯圖13CPU（中央處理器） 用來執行從記憶體取得的指令，是電腦的運算核心。 包括:n算術/邏輯單元 (arithmetic/logic unit，簡寫為ALU)n控制單元 (control unit，簡寫為CU)nRegisters14主記憶體（main memory）n唯一能由CPU直接存取資料的大型記憶裝置， 運算時所需要的指令和資料必需先存放在主記 憶體中才能執行。通常由DRAM (動態隨機存 取記憶體，Dynamic Random Access Memory) 構成。15DRAMn是RAM (Random Access Memory，隨機存取記 憶體) 的一種。nRAM有DRAM

6、和SRAM (Static Random Access Memory，靜態隨機存取記憶體) 兩大類。相較 於SRAM，DRAM具有以下的幾個特性： 1. 儲存單元所需的面積較小。 2. 用電較省。 3. 存取速度較慢。 4. 必需不斷地重新記憶(refresh)，否則資料會 消失。 16SRAMn存取速度快，容量較小且價格昂貴的SRAM經 常做為快取記憶體 (cache) 以擔任DRAM與 CPU之間指令和資料的緩衝。 如下圖所示：17儲存裝置（storage device）n又稱為次記憶體 (secondary memory) 或是輔助 記憶裝置 (auxiliary memory devi

7、ce)。n有FDD、HDD、CD-ROM Drive、CD-R、CD-RW、DVD-ROM Drive、DVD-R/RW、 DVD+R/+RW、magnetic tape drive、USB隨身碟，和 Magneto-Optic drive 等數種形式。18唯讀記憶體 (ROM，Read-Only Memory)n只能讀取，無法隨時修改內容的記憶體，常用 的是EPROM (Erasable Programmable Read- OnlyMemory) 和光碟 (CD-ROM，DVD-ROM) 。19EEPROM (電壓式可抹寫唯讀記憶體， Electrically Erasable Progr

8、ammable Read- Only Memory) n在沒有電源供應的時候仍然能夠保有內部儲存資訊 。nEPROM需要施加紫外線 (UV) 才能清除原有資料以 備重寫，而EEPROM只要調高其中一支腳位的電壓 即可清除原有資料。20混合式記憶體 (hybrid memory)nEEPROM和快閃記憶體 (flash memory) 都是混 合式記憶體 (hybrid memory) 的主要成員，兼 具nRAM可以多次修改內容，以及ROM可以在電 源供應消失時仍然保有內部資料特性。快閃記 憶體只能以sector (扇形區段) 為單位來清除資 料，而EEPROM清除資料的單位是位元組 (byte

9、)。21記憶卡的形式nCompact Flash Card (CF卡)nSmart Media (SM卡)nMulti Media Card (MMC卡)nxD Picture Card (xD卡)nSecured Digital Card (SD卡)nReduced MM卡nSony的Memory Stick (包括衍生的Magic Gate、 Memory nStick Pro，和Memory Stick Duo)nIBM的Micro Drive卡nSanDisk的MiniSD卡。22I/O裝置（輸入輸出裝置，input- output device） n電腦與外界溝通的管道，包括顯示器

10、(monitor) 、鍵盤 (keyboard)、滑鼠、搖桿 (joy stick)、數 位板(digitizer，graphic tablet)、麥克風、喇叭 、掃描機 (scanner)、印表機、MODEM、網路 卡等裝置。23匯流排（bus）n連接裝置的單元。匯流排所代表的不只是一些 訊號線和控制裝置，還包括讓裝置之間能夠有 效溝通的通訊協訂 (protocol)。n例如ISA (Industry Standard Architecture) 匯流排 的時脈是8 MHz，PCI (Peripheral Component Interconnect) 匯流排已提昇至66 MHz，達到 52

11、4MBps。24橋接器 (bridge)n銜接各種不同時脈的匯流排25DMA n直接記憶體存取 (Direct Memory Access) 的資料 傳遞模式。n在DMA控制器獲得CPU的授權後，I/O裝置與記 憶體之間，甚至兩個I/O裝置之間能夠直接傳遞 資料。261.3 馮紐曼架構與哈佛架構27指令週期1. 擷取 (fetch) 2. 解碼 (decode) 3. 執行 (execute) 28程式記數器 (Program Counter) 與 主記憶體之間的關係 29各型記憶裝置的階層關係30數字系統n十進位數字系統 (decimal number system)n二進位數字系統 (bi

12、nary number system)n八進位數字系統 (octal number system)n十六進位數字系統 (hexadecimal number system) n十進位數字系統 (decimal number system) 31n例如，365的值是36510 = (3102) + (6101) + (5100) 每個數位的位值 (positional value) 都比 它右邊的數位多了10倍，如下圖所示：32二進位數字系統n以2為基底 (base)，它的數位符號只有0和1兩種。例如，11012的值是11012 = (123)+(122)+(021)+(120) = 13103

13、3n每個數位都比它右邊的數位多了兩倍，如下圖所示：n4個二進位數字的組合可以代表從00002到11112總共16 種不同的值。 34位元和位元組 n位元(bit)是兩個英文字binary和digit的組合。n8 bits = 1 byten一個位元組可以用來表示28，亦即256種不同的 值。n16位元 (2 bytes) 可以有65,536種變化。35八進位(octal)和十六進位 (hexadecimal)數字系統 n32768 = (383) + (282) + (781) + (680) = 172610n6BE16 = (6162) + (11161) + (14160) = 1726

14、10n都是代表1726這個數字。36數字系統對應表十進位數字二進位數字八進位數字十六進位數字00000101112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F1610000201037八進位和二進位數字系統之間的轉換 n假設有個二進位數值 011010111110n我們先將它從右至左，每3個位元為一組劃分 開來011 010 111 110n再使用二進位數字與八進位數字的對照關係， 就可以得到：011 010 111 1103 2 7

15、 638十六進位和二進位數字系統之間的轉換n以4個位元一組的方式劃分，再逐一對照二進位 和十六進位的表示法，就可以得到：0110 101111106 B E也就是68E16的結果。 39二的補數表示法 (twos complement representation)。n最左邊的位元代表正負號。將一個正數變為負 數要經由兩個步驟：1. 將原有二進位數字做補數運算。原 來的所有1改為0，原有0以取1取代。2. 加1。40n將5寫成二的補數52 = 0 0 0 0 0 1 0 1n只要下述兩個步驟：1. 寫出5的補數1 1 1 1 1 0 1 02. 加11 1 1 1 1 0 1 141以硬體的方

16、式進行二的補數處理1. 將原有的二進位數字從右至左搜尋第一個1出現 的位置。 2. 將上步驟找出的位置左邊的所有位元進行補數處理。 再以上述5的二的補數運算為例： 圖示如下：42使用二的補數法表示數值可以簡化 CPU內部所需的電路 n例如： 5 4 = 5 + (-4) ：(-5) + (-4) ： 答案1 1 1 1 0 1 1 1是9的二的補數表示式。 43從5到+5的二的補數表示式數值二的補數 500000101 400000100 300000011 200000010 100000001 000000000 -111111111 -211111110 -311111101 -411111100 -51111101144非整數的二進位表示法 n把十進位系統的小數點 (decimal point) 沿用到二進 位系統，稱為基點 (rad