《软考教材分享：程序员教程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《软考教材分享：程序员教程.docx（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 程序员 http:/ 计算机系统组成示意图1.1.1计算机系统的硬件组成自从1946年世界上出现第一台计算机以来，计算机软件系统和硬件结构都已经发生了很大的变化，但大多数计算机仍然基于冯诺依曼结构，其硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成，它们通过系统总线互相连接，如图1-2所示，完成计算机的基本功能。其中运算器、控制器、以及相关的寄存器组，构成中央处理器（CPU），它是计算机系统的核心。图1-2 计算机的基本组成1. 中央处理器中央处理器主要由运算器、控制器和寄存器组三部分组成，其组成结构如图1-3所示。图1-3 CPU组成结构图（1）运算器。运算器是处理器的执行
2、单元，主要包括算术逻辑部件（ALU）和一定数量的寄存器。加法是运算器的基本运算，在大多数中央处理器中，其它运算最终都可转化为加法运算。运算器的位数指的是运算器一次能对多少位数据作加法，是衡量中央处理器的一个重要指标。按照总线结构，运算器可以分成单总线结构运算器、双总线结构运算器和三总线结构运算器。（2）控制器。控制器是中央处理器的核心。控制器每次从存储器中取出一条指令，对指令进行译码和测试，并产生相应的微操作控制信号，发给各个执行部件并控制它们，使整个计算机系统可以连续、有条不紊地工作。控制器的主要任务是控制CPU按照正确时序产生操作控制信号。控制器通常由指令寄存器IR、指令译码器、程序计数器
3、PC、时序电路、微操作信号发生器、状态条件寄存器PSW、堆栈和堆栈指针、总线控制逻辑等部件组成，其组成图如图1-4所示。图1-4 控制器组成结构图 指令寄存器IR:存放正在执行的指令，以便在整个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。 指令译码器ID:又称操作码译码器，它对指令寄存器IR中的指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式等，并产生相应的控制信号提供给微操作信号发生器。 程序计数器PC:又称指令计数器或指令指针（IP），在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地址；在大多数机器中则存放将要执行的下一条指令的地址。 时序电路：以时钟脉冲为基础，产生不同指令相对应的
4、周期、节拍、工作脉冲等时序信号，确定各种微操作的执行时间，从而实现机器指令执行过程的时序控制。 微操作信号发生器：它根据指令译码器ID产生的操作信号、时序电路产生的时序信号，以及各个功能部件反馈的状态信号等，产生执行指令所需的全部微操作控制信号，形成特定的操作序列，从而实现对指令的执行控制。 状态条件寄存器PSW:它保存指令执行完成后产生的条件码，记录了运算器、控制器、中断系统的重要状态或特征，例如运算结果是否溢出、是否被0除、是否有进位、是否关中断等。该寄存器每一位保存一个特征，其典型应用是作为跳转指令的判断条件。 堆栈和堆栈指针：堆栈是一组寄存器或者处于存储器内的特定区域，由于寄存器数量有
5、限，所以大多数系统采用了存储器的软件堆栈，堆栈顶部的指针称为堆栈指针。 总线控制逻辑：接收各部件发送过来的总线请求信号，根据相应的仲裁措施，把总线的使用权分配给各个部件。总线是系统性能的瓶颈，一个好的总线控制逻辑，可以大幅提高总线利用率，充分发挥各个部件的功能。指令的执行过程分为如下几个步骤： 取指令：控制器按照程序计数器PC中保存的地址从内存中取出将要执行的指令。 分析指令：把该指令送给指令译码器ID,ID对指令进行译码和测试，然后根据指令的功能产生相应的操作控制信号，向有关部件发出控制命令。 执行指令：根据译码器产生的操作控制信号以及状态/条件（PSW）寄存器的状态，由时序电路形成微操作时
6、序信号，然后再由微操作信号发生器产生一系列CPU内部和外部控制信号，这些信号驱动相关部件运行，从而实现指令的具体功能。 形成下一条指令地址：若是顺序执行指令，则程序计数器自动加1,形成下一条指令的地址；若是转移指令，则根据转移条件确定是否把转移地址送入程序计数器。程序由指令构成，通过逐一执行上述指令，计算机就可以完成程序指定的任务。2. 寄存器组寄存器组是CPU内部的临时存储单元，即可以存放数据和地址，又可以存放控制信息或CPU工作状态。在存储器体系结构中，寄存器组距离CPU最近，执行速度最快，适当增加寄存器数量，可以减少访问内存的次数，提高其运行速度。按照存放数据的不同，CPU中的寄存器可以
7、分为以下类型：（1）累加器：是一个数据寄存器，在运算过程中暂时存放被操作数和中间运算结果，它不能用于长时间地保存一个数据。（2）通用寄存器组：CPU中的一组工作寄存器，运算时暂时存放操作数或地址，可以减少CPU与外部的数据交换，从而加快CPU的运行速度。（3）标志寄存器：又称为状态寄存器，记录运算中产生的标志信息，它的每一位都可以单独使用，称为标志位。标志位反映了ALU当前工作状态，可以作为跳转指令的判断条件。常用的标志位包括以下几种：a 进位标志位（C）：当运算结果最高位产生进位时置1.b 零标志位（Z）：当运算结果为零时置1.c 符号标志位（S）：当运算结果为负时置1.d 溢出标志位（O）
8、：当运算结果溢出时置1.e 奇偶标志位（P）：当运算结果中1的个数为偶数时置1.f 方向标志位（D）：用于串处理，每次操作后若SI和DI减少，则置为1,否则置为0.g 中段标志位（I）：开中断时置为1,否则置为0.（4）指令寄存器：存放正在执行的指令，在指令执行过程中，该寄存器中的内容保持不变。（5）地址寄存器：存放指令、数据区、堆栈的相关地址，包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、段地址寄存器等，主要用于指令和数据的定位。（6）其它寄存器：根据CPU结构特点还有一些其它寄存器，例如：控制寄存器CR0、CR1、CR2,它的作用是切换实模式和保护模式；调试寄存器D0、D1、D2、D3，它们可以
9、作为调试器的硬件支持来设置条件断点；测试寄存器TR3、TR4、TR5、TR6,它们可以用于某些条件测试。3. 存储器存储器是存放二进制形式信息的部件，它用二进制形式的0或1存放程序和数据。从功能的角度，存储器可以分为以下三种：（1）高速缓冲存储器（cache）。位于CPU和主存DRAM之间的高速小容量存储器，通常由高速SRAM组成，集中保存当前CPU要调用的内存数据，其存取速度接近CPU的工作速度，临时存放指令和数据。引入cache之后，可以缓解内存和CPU之间存在的速度瓶颈，加快程序运行速度。（2）主存储器。主存储器简称主存，又叫内存，用来存储计算机当前正在执行的程序和处理的数据，主存储器目
10、前一般由MOS半导体存储器构成，其优点是存取速度快，存储体积小，可靠性高，价格低廉；缺点是断电后存储器不能保存信息。（3）辅助存储器。辅助存储器又称外存储器，包括磁带存储器、磁盘存储器及光盘存储器。它用于存放当前不使用的信息，其特点是存储容量大、可靠性高、价格低，在脱机情况下可以永久地保存信息。一般而言，存储器速度、容量和价格三者之间相互矛盾。若要求存储器速度很高，则其容量就不可能很大，价格也不可能很低；若要求存储器容量很大，则其存取速度就不可能很高，成本也不会很低。为了较好地满足上述三方面的要求，有效的办法是采用不同形式的存储器构成存储器层次结构，使得在该存储体系中，速度接近最快的那个存储器
11、，容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。常用的存储器体系包括寄存器-cache-主存-辅存-海量存储器这五个层次。4. 输入输出设备计算机系统与人或其它设备之间进行信息交换的装置，所谓的输入和输出都是相对于主机而言的，二者的区别是信息流向不同。输入设备的功能是把数据、命令、图形、图像、声音以及电流、电压等信息，转换成计算机可以接收和识别的二进制代码，输入到计算机存储器中，以便进行数据处理。输出设备的功能是把计算机处理的结果，转换成为人最终可以识别的数字、文字、图形、图像和声音等信息，输出到外部存储介质上，并可以通过相关设备进行显示，以供人们分析和使用。输入输出设
12、备有多种分类方法，按照信息的传输方向来分，可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。1.1.2计算机系统的软件组成软件包括了使PC机运行所需要的各种程序、数据及其有关的文档资料。程序是完成某一任务的指令或语句的有序集合；数据是程序处理的对象及结果；文档是描述程序操作及使用的相关资料。功能主要包括下述四个方面：（1）控制和管理计算机硬件资源，提高计算机资源的使用效率，协调计算机各组成部分的工作。（2）向用户提供尽可能方便、灵活的计算机操作界面。（3）为专业人员提供开发计算机应用软件的工具和环境。（4）为用户完成特定应用的信息处理任务。按照上述功能，计算机软件可以分为系统软件和应用软件两大类。如图1-5所示，硬件、软件、用户之间形成一种层次关系，即通过为硬件逐层地添加各类软件后，才能形成一个供用户使用的功能丰富而界面友好的计算机系统。图1-5 计算机系统的层次构成1. 系统软件系统软件控制计算机的运行，管理计算机的各种资源，并用应用软件提供支持和服务的一类软件。系统软件的主要目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。通常包括：（1）操作系统。操作系统是计算机硬件的第一级扩充，是软件中最基础和最核心的部分，任何其它软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操
