1-1 計算機的工作原理

計算機的工作原理

主要內(nèi)容馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)硬件軟件機內(nèi)信息表示計算機能做什么？科學(xué)計算、信息管理、文字處理、面向Internet的應(yīng)用（如電子郵件、Web搜索/瀏覽、電子商務(wù)等）以及嵌入式應(yīng)用（如智能家居）、……計算機已經(jīng)滲透到人類社會活動的各個領(lǐng)域并發(fā)揮著巨大的作用。計算機的組成從1946年誕生第一臺數(shù)字電子計算機（ENIAC）以來，雖然計算機已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但目前大部分計算機采用的還是傳統(tǒng)的馮?諾依曼（vonNeumann）體系結(jié)構(gòu)。邏輯上，馮?諾依曼計算機由5個單元構(gòu)成：存儲單元：存儲程序（指令序列）和數(shù)據(jù)運算單元：進行算術(shù)/邏輯運算控制單元：控制程序的執(zhí)行流程和根據(jù)指令向其它單元發(fā)出控制信號輸入單元：從外界獲得數(shù)據(jù)輸出單元：向外界輸出結(jié)果馮?諾依曼計算機的工作過程把待執(zhí)行的程序從輸入單元裝入到存儲單元中；（存儲程序式計算機）控制單元從存儲單元中逐條地取程序中的指令執(zhí)行，把其中的計算指令交給運算單元完成；程序執(zhí)行中從輸入單元或存儲單元中獲得所需要的數(shù)據(jù)；程序執(zhí)行產(chǎn)生的臨時結(jié)果保存在存儲單元中，程序的最終執(zhí)行結(jié)果通過輸出單元輸出。計算機能執(zhí)行的指令計算機的基本指令算術(shù)指令：實現(xiàn)加、減、乘、除等基本運算。比較指令：比較兩個操作數(shù)的大小等邏輯運算。數(shù)據(jù)傳輸指令：實現(xiàn)各單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。流程控制指令：指出下一條指令在存儲單元中的地址。默認為順序執(zhí)行，可以是轉(zhuǎn)移、循環(huán)以及子程序調(diào)用/返回等指令。程序設(shè)計的任務(wù)是十分艱巨的，它要把各種應(yīng)用問題落實到用一些簡單的指令來解決！程序設(shè)計者面臨挑戰(zhàn)！硬件與軟件計算機包含硬件和軟件兩方面硬件是指計算機的物理構(gòu)成－－物質(zhì)基礎(chǔ)軟件主要是指計算機程序（指令序列）－－靈魂一臺計算機的性能主要由硬件決定，而它的功能則主要是由軟件來提供。硬件概述硬件是指構(gòu)成計算機的元器件和設(shè)備。計算機元器件的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段（四代計算機）：電子管：體積大，功耗高，速度慢。晶體管：體積縮小，功耗降低，速度提高。集成電路：把晶體管、電阻、電容等電子元件焊接在一塊半導(dǎo)體硅片（芯片）上，體積、功耗和速度得到進一步改進，計算機生產(chǎn)系列化。（超）大規(guī)模集成電路：集成電路的規(guī)模和集成度更高。計算機設(shè)備主要包括：中央處理器內(nèi)部存儲器外部設(shè)備（外部存儲器、輸入/輸出設(shè)備）外存外設(shè)（Devices）內(nèi)存（Memory）中央處理器（CPU）馮?諾依曼計算機的硬件設(shè)備組織總線（Bus）執(zhí)行計算機指令。包含控制器、運算器以及寄存器。存儲運行中的計算機程序和正在使用的數(shù)據(jù)，分為ROM和RAM。每個單元都有地址。實現(xiàn)系統(tǒng)的輸入和輸出。永久性存儲程序和數(shù)據(jù)。以文件為單位來組織。鍵盤、顯示器、打印機、鼠標(biāo)器等硬盤、閃存盤（U盤）、軟盤、光盤、磁帶等輸入/輸出設(shè)備馮?諾依曼計算機的瓶頸設(shè)備之間速度不匹配：高速設(shè)備等待低速設(shè)備。CPU與內(nèi)存：訪問內(nèi)存比訪問寄存器慢內(nèi)存與外存：訪問外存比訪問內(nèi)存慢解決方案：利用程序運行以及程序?qū)?shù)據(jù)的訪問（存?。┧哂械木植啃蕴卣?，在高速設(shè)備中為低速設(shè)備設(shè)置一個高速緩存（cache），把要訪問的內(nèi)容預(yù)先從低速設(shè)備取到高速設(shè)備中，以減少訪問低速設(shè)備的次數(shù)。CPU中的內(nèi)存高速緩存（cachememory）內(nèi)存中的磁盤高速緩存（diskcache）軟件概述計算機硬件只是提供了執(zhí)行存儲在內(nèi)存中指令的能力，而執(zhí)行的指令（軟件）是需要人來提供的。計算機軟件是計算機系統(tǒng)中的程序以及相關(guān)的文檔。程序：計算任務(wù)的處理對象（數(shù)據(jù)）與處理規(guī)則（算法）的描述，其中的處理規(guī)則體現(xiàn)為指令序列，由計算機執(zhí)行。文檔：便于人理解程序所需的說明資料，供程序開發(fā)與維護使用。軟件的分類系統(tǒng)軟件計算機系統(tǒng)中完成最基本功能的和直接讓硬件發(fā)揮作用的軟件。如：操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序就屬于系統(tǒng)軟件。它與具體的應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān)，其它軟件一般要通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用。應(yīng)用軟件用于特定領(lǐng)域的專用軟件，如：文字處理軟件、人口普查軟件、財務(wù)軟件、游戲軟件、......、等等。支撐軟件支持軟件開發(fā)與維護的軟件，一般由軟件開發(fā)人員使用。如：軟件開發(fā)環(huán)境VC++就是典型的支撐軟件。支撐軟件有時也歸入系統(tǒng)軟件各類軟件與硬件之間的關(guān)系硬件系統(tǒng)軟件支撐軟件應(yīng)用軟件為了提高靈活性，這里開了一些小口子，但這些口子越來越??！虛擬機由硬件構(gòu)成的計算機常常被稱為“裸機”。在“裸機”之上，每加上一層軟件就得到了一個功能更強的計算機－－“虛擬機”。例如，硬件加上操作系統(tǒng)就構(gòu)成了最基本的虛擬機。硬件構(gòu)成的裸機只能識別用機器語言表示的指令，在加上了C/C++的編譯程序之后，則這個虛擬機就能執(zhí)行由C/C++語言所表示的指令（語句）了。目前，虛擬機又有新的含義：指通過軟件模擬的具有完整硬件功能的計算機系統(tǒng)，它運行在一臺宿主機上。虛擬機有自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。Vmware，VirtualBox，Virtualpc等是構(gòu)建虛擬機的軟件。宿主機虛擬機計算機中的信息表示在計算機中，任何信息（指令、數(shù)據(jù)、地址）都是用“0”和“1”組成的二進制數(shù)字序列來表示的。為什么計算機中的信息要用二進制表示？

“0”和“1”對應(yīng)著電器設(shè)備的兩個穩(wěn)定狀態(tài)：開關(guān)的關(guān)/開電壓的低/高電流的小/大信息單位計算機中的信息單位包括：一個“0”或“1”稱為一個二進制位（bit，b）8個二進制位稱為一個字節(jié)（Byte，B）1024個字節(jié)稱為一千字節(jié)（KiloByte，KB

）1024個千字節(jié)稱為一兆字節(jié)（MegaByte，MB）1024個兆字節(jié)稱為一吉字節(jié)（GigaByte，GB）1024個吉字節(jié)稱為一太字節(jié)（TeraByte，TB）在內(nèi)存與外存中，通常把字節(jié)作為基本存儲單位（每次存取至少為一個字節(jié)），容量常常也是以字節(jié)數(shù)來計算的：內(nèi)存：4GB、8GB、16GB

、......硬盤：500GB、1TB、2TB

、......數(shù)的幾種進制表示一個數(shù)可以用不同的進制來表示。常用的進制有：10進制（0～9，逢十進一）（日常生活及編程語言中采用）2進制（0～1，逢二進一）（計算機內(nèi)部采用）8進制（0～7，逢八進一）（編程語言中采用）16進制（0～9、A～F，逢十六進一）（編程語言中采用）例如，對于十進制數(shù)：292進制表示為：111018進制表示為：3516進制表示為：1D再例如，各種進制數(shù)的運算：

（35）8

＋（315）8

（72）8

（1D）16

＋（11D）16

（3A）16

（11101）2

＋（111111011）2

（111010）2

十進制轉(zhuǎn)換成二進制十進制整數(shù)轉(zhuǎn)成二進制把它連續(xù)除以基數(shù)2，直到商為0，所得的各個余數(shù)的倒序即為對應(yīng)的二進制數(shù)。例如，十進制整數(shù)29的二進制表示為11101214120723121129021十進制小數(shù)轉(zhuǎn)成二進制把它連續(xù)乘以基數(shù)2，每次去掉乘積的整數(shù)位，直到乘積只包含整數(shù)為止。最后的轉(zhuǎn)換結(jié)果由各個乘積的整數(shù)位構(gòu)成。例如，十進制小數(shù)0.8125的二進制表示為0.1101×21.6251.250.5×2×20.8125×21.0(0.1)10轉(zhuǎn)成二進制是多少？(0.1)10=(0.00011...)

2這意味著什么？一些十進制小數(shù)無法精確地用純二進制來表示！二進制轉(zhuǎn)換成十進制二進制整數(shù)轉(zhuǎn)成十進制(11101)2=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=29二進制小數(shù)轉(zhuǎn)成十進制(0.1101)2=1×2-1+1×2-2+0×2-3+1×2-4=0.8125十進制與八進制和十六進制之間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換過程與上述的十進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換類似，只要把上面的基數(shù)2改成8或16。二進制與八、十六進制之間的轉(zhuǎn)換二進制與八、十六進制之間的轉(zhuǎn)換(11101.1101)2=(011

101.110

100)2=(35.64)8=(0001

1101.1101)2=(1D.D)16在計算機內(nèi)部，整數(shù)通常采用固定長度的某種二進制形式來表示。原碼表示用一個二進制位表示符號（0表示正；1表示負），其它位為二進制表示的絕對值。例如，如果用一個字節(jié)存儲整數(shù)的原碼，則12表示為00001100；-12表示為10001100對于由n個二進位構(gòu)成的原碼，它能表示的整數(shù)范圍是：-(2n-1-1)～2n-1-1，其中有兩個零：00...0和10...0。整數(shù)的機內(nèi)表示2的補碼表示正整數(shù)的補碼為它的二進制原碼表示；負整數(shù)的補碼為把相應(yīng)正整數(shù)原碼的各個二進制位取反后得到的值加1。例如：如果用一個字節(jié)存儲整數(shù)的補碼，則12表示為：00001100-12表示為：11110100（11110011+1）對于由n個二進位構(gòu)成的補碼，它能表示的整數(shù)范圍是：-2n-1～2n-1-1，其中，00...0表示零，10...0表示-2n-1。注意：在整數(shù)的補碼表示中，負整數(shù)的補碼最高位雖然也是1，但其余的二進制位不是它的絕對值。把負整數(shù)的補碼各個二進制位分別取反后加1則能得到對應(yīng)正整數(shù)的補碼。用補碼表示整數(shù)便于加、減運算，特別地，減法可以轉(zhuǎn)換成加法來做（早期計算機的CPU中運算器只是一個加法器?。?。例如：CPU的整數(shù)運算指令一般是針對補碼表示來設(shè)計的！5加-200000101(5的補碼)+11111110(-2的補碼)

100000011(3的補碼，最高進位舍去)2減8=2加-800000010(2的補碼)+11111000(-8的補碼)11111010(-6的補碼)實數(shù)的機內(nèi)表示在計算機內(nèi)部，實數(shù)通常采用固定長度的科學(xué)記數(shù)法來表示：

±a×2ba是一個二進制小數(shù)，稱為尾數(shù)(Mantissa)；b是一個二進制整數(shù)，稱為階碼或指數(shù)(Exponent)；+/-：0/1。計算機內(nèi)部只存儲符號以及a和b，并且a和b具有固定長度。在存儲實數(shù)前首先需要對其進行規(guī)格化，即把尾數(shù)a調(diào)整為1.xxx...形式，其中的整數(shù)位“1”和小數(shù)點不存儲。例如，對于十進制實數(shù)12.5，規(guī)格化：

(12.5)10=(1100.1)2=(1.1001)2×23

存儲的是：0（符號）、1001（尾數(shù)）和3（指數(shù)，存儲時將轉(zhuǎn)化成某種二進制形式）三個部分（參見教材附錄B）(12.1)10=(1100.00011...)

2這意味著什么？在實數(shù)的這種表示中，小數(shù)點的位置并不表示它的實際位置，其真正位置是在“浮動”著的，要由尾數(shù)和指數(shù)共同來決定，因此，基于這種表示的實數(shù)又稱作為浮點數(shù)。CPU的實數(shù)運算指令一般是針對實數(shù)的浮點表示來設(shè)計的！十進制數(shù)的另一種二進制表示－－BCD碼BCD（BinaryCodedDecimal）碼是十進制數(shù)的另一種二進制表示形式，它分別對十進制數(shù)的每一位用二進制來表示，十進制數(shù)的長度不固定。BCD碼有多種形式，常用的是8421碼：每一位十進數(shù)用4位二進制表示，共有16中組合，其中10種組合（0000~1001）表示10個十進制數(shù)字（0~9）：0 0000 4 0100 810001 0001 5 0101 910012 0010 6 0110

1000010