下面,以指令的執(zhí)行過程來認識計算機的基本工作原理。計算機的指令執(zhí)行過程分為如下幾個步驟:
(1)取指令。從內(nèi)存儲器中取出指令送到指令寄存器。
(2)分析指令。對指令寄存器中存放的指令進行分析,由譯碼器對操作碼進行譯碼,將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號,并由地址碼確定操作數(shù)的地址。
(3)執(zhí)行指令。它是由操作控制線路發(fā)出的完成該操作所需要的一系列控制信息,以完成該指令所需要的操作。
(4)為執(zhí)行下一條指令作準備。形成下一條指令的地址,指令計數(shù)器指向存放下一條指令的地址,最后控制單元將執(zhí)行結(jié)果寫入內(nèi)存。
上述完成一條指令的執(zhí)行過程叫做一個“機器周期”。指令的執(zhí)行過程如圖1-2 所示。
計算機在運行時,CPU從內(nèi)存讀取一條指令到CPU內(nèi)執(zhí)行,指令執(zhí)行完,再從內(nèi)存讀取下一條指令到CPU執(zhí)行。CPU不斷地取指令,分析指令,執(zhí)行指令,再取下一條指令,這就是程序的執(zhí)行過程。
總之,計算機的工作就是執(zhí)行程序,即自動連續(xù)地執(zhí)行一系列指令,而程序開發(fā)人員的工作就是編制程序,使計算機不斷地工作。
3.軟件系統(tǒng)概述
軟件系統(tǒng)是指使用計算機所運行的全部程序的總稱。軟件是計算機的靈魂,是發(fā)揮計算機功能的關(guān)鍵。有了軟件,人們可以不必過多地去了解機器本身的結(jié)構(gòu)與原理,可以方便靈活地使用計算機,從而使計算機有效地為人類工作、服務(wù)。
隨著計算機應(yīng)用的不斷發(fā)展,計算機軟件在不斷積累和完善的過程中,形成了極為寶貴的軟件資源。它在用戶和計算機之間架起了橋梁,給用戶的操作帶來極大的方便。
在計算機的應(yīng)用過程中,軟件開發(fā)是個艱苦的腦力勞動過程,軟件生產(chǎn)的自動化水平還很低。所以,許多國家投入大量人力從事軟件開發(fā)工作。正是有了內(nèi)容豐富、種類繁多的軟件,使用戶面對的不僅是一部實實在在的計算機,而且還包含許多軟件的抽象的邏輯計算機(稱之為虛擬機),這樣,人們可以采用更加靈活、方便、有效的手段使用計算機。從這個意義上說,軟件是用戶與計算機的接口。
在計算機系統(tǒng)中,硬件和軟件之間并沒有一條明確的分界線。一般來說,任何一個由軟件完成的操作也可以直接由硬件來實現(xiàn),而任何一個由硬件執(zhí)行的指令也能夠用軟件來完成。硬件和軟件有一定的等價性,例如,如圖像的解壓,以前低檔微機是用硬件解壓,現(xiàn)在高檔微機則用軟件來實現(xiàn)。
軟件和硬件之間的界線是經(jīng)常變化的。要從價格、速度、可靠性等多種因素綜合考慮,來確定哪些功能用硬件實現(xiàn)合適,哪些功能由軟件實現(xiàn)合適。
1.2.2 硬件系統(tǒng)的組成
計算機的硬件由主機和外設(shè)組成,主機由CPU、內(nèi)存儲器、主板(總線系統(tǒng))構(gòu)成,外部設(shè)備由輸入設(shè)備(如鍵盤、鼠標等)、外存儲器(如光盤、硬盤、U盤等)、輸出設(shè)備(如
微機與傳統(tǒng)的計算機沒有本質(zhì)的區(qū)別,它也是由運算機、控制器、存儲器、輸入和輸出設(shè)備等部件組成。不同之處是微機把運算器和控制器集成在一片芯片上,稱之為CPU。下面以微機為例說明計算機各部分的作用。
1.CPU
CPU是計算機的核心部件,它完成計算機的運算和控制功能。運算器又稱算術(shù)邏輯部件(Arithmetical Logic Unit,ALU),主要功能是完成對數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算和邏輯判斷等操作。控制器(Control Unit,CU)是整個計算機的指揮中心,根據(jù)事先給定的命令,發(fā)出各種控制信號,指揮計算機各部分工作。它的工作過程是負責(zé)從內(nèi)存儲器中取出指令并對指令進行分析與判斷,并根據(jù)指令發(fā)出控制信號,使計算機的有關(guān)設(shè)備有條不紊地協(xié)調(diào)工作,在程序的作用下,保證計算機能自動、連續(xù)地工作。CPU外形如圖1-4所示。
2.存儲器
存儲器(Memory)是計算機存儲信息的“倉庫”。所謂“信息”是指計算機系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)和程序。程序是一組指令的集合。存儲器是有記憶能力的部件,用來存儲程序和數(shù)據(jù),存儲器可分為兩大類:內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器簡稱內(nèi)存,也叫隨機存儲器(RAM),這種存儲器允許按任意指定地址的存儲單元進行隨機地讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)是通過電信號寫入存儲器的,因此在計算機斷電后,RAM中的信息就會隨之丟失。內(nèi)存條外形如圖1-5所示,它的特點是存取速度快,可與CPU處理速度相匹配,但價格較貴,能存儲的信息量較少。外存儲器(簡稱外存)又稱輔助存儲器,主要用于保存暫時不用但又需長期保留的程序或數(shù)據(jù)。如軟盤、硬盤、光盤等都叫外存儲器。存放在外存中的程序必須調(diào)入內(nèi)存才能運行,外存的存取速度相對來說較慢,但外存價格比較便宜,可保存的信息量大。常用的外存有磁盤、磁帶、光盤等。
CPU和內(nèi)存儲器構(gòu)成計算機主機。外存儲器通過專門的輸入/輸出接口與主機相連。外存與其他的輸入輸出設(shè)備統(tǒng)稱外部設(shè)備。如硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、打印機、鍵盤都屬外部設(shè)備。
現(xiàn)代計算機中內(nèi)存普遍采取半導(dǎo)體器件,按其工作方式不同,可分為動態(tài)隨機存取器(DRAM)、靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)、只讀存儲器(ROM)。對存儲器存入信息的操作稱為寫入(Write),從存儲器取出信息的操作稱為讀出(Read)。執(zhí)行讀出操作后,原來存放的信息并不改變,只有執(zhí)行了寫入操作,寫入的信息才會取代原先存入的內(nèi)容。所以RAM中存放的信息可隨機地讀出或?qū)懭?,通常用來存入用戶輸入的程序和?shù)據(jù)等。計算機斷電后,RAM中的內(nèi)容隨之丟失。DRAM和SRAM兩者都叫隨機存儲器,斷電后信息會丟失,不同的是,DRAM存儲的信息要不斷刷新,而SRAM存儲的信息不需要刷新。ROM中的信息只可讀出而不能寫入,通常用來存放一些固定不變的程序。計算機斷電后,ROM中的內(nèi)容保持不變,當(dāng)計算機重新接通電源后,ROM中的內(nèi)容仍可被讀出。
為了便于對存儲器內(nèi)存放的信息進行管理,整個內(nèi)存被劃分成許多存儲單元,每個存儲單元都有一個編號,此編號稱為地址(Address)。通常計算機按字節(jié)編址。地址與存儲單元為一對一的關(guān)系,是存儲單元的惟一標志。存儲單元的地址、存儲單元和存儲單元的內(nèi)容是3個不同的概念。地址相當(dāng)于旅館的房間編號,存儲單元相當(dāng)于旅館的房間,存儲單元的內(nèi)容相當(dāng)于房間中的旅客。在存儲器中,CPU對存儲器的讀寫操作都是通過地址來進行的。
外存儲器目前使用得最多的是磁表面存儲器和光存儲器兩大類。磁表面存儲器是將磁性材料沉積在盤片基體上形成記錄介質(zhì),并在磁頭與記錄介質(zhì)的相對運動中存取信息。現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中使用的磁表面儀器有磁盤和磁帶兩種。硬盤結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。
用于計算機系統(tǒng)的光存儲器主要是光盤(Optical Disk),現(xiàn)在通常稱為CD(Compact Disk)。光盤用光學(xué)方式讀寫信息,存儲的信息量比磁盤存儲器存儲的信息量大得多,因此受到廣大用戶的青睞。所有外存的存儲介質(zhì)(盤片或磁帶)都必須通過機電裝置才能存取信息,這些機電裝置稱之為“驅(qū)動器”,如常用的軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器等。目前外存儲器的容量不斷增大,從MB級到GB級,還有海量存儲器等。
3.輸入設(shè)備
輸入設(shè)備是將外界的各種信息(如程序、數(shù)據(jù)、命令等)送入到計算機內(nèi)部的設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀、條形碼讀入器等。
4.輸出設(shè)備
輸出設(shè)備是將計算機處理后的信息以人們能夠識別的形式(如文字、圖形、數(shù)值、聲音等)進行顯示和輸出的設(shè)備。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。
由于輸入/輸出設(shè)備大多是機電裝置,有機械傳動或物理移位等動作過程,相對而言,輸入/輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)速度最慢的部件。
1.2.3 軟件系統(tǒng)的組成
計算機軟件由程序和有關(guān)的文檔組成。程序由一系列的指令按一定的結(jié)構(gòu)組成。文檔是軟件開發(fā)過程中建立的技術(shù)資料。程序是軟件的主體,一般保存在存儲介質(zhì)中,如軟盤、硬盤或光盤中,以便在計算機上使用?,F(xiàn)在人們使用的計算機都配備了各式各樣的軟件,軟件的功能越強,使用起來越方便。軟件可分為兩大類:一類是系統(tǒng)軟件,另一類是應(yīng)用軟件,軟件系統(tǒng)組成如圖1-7所示。
1.系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)控和維護計算機資源的軟件,是用來擴大計算機的功能,提高計算機的工作效率,方便用戶使用計算機的軟件。系統(tǒng)軟件是計算機正常運轉(zhuǎn)所不可缺少的,是硬件與軟件的接口。一般情況下系統(tǒng)軟件分為4類:操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和服務(wù)程序。
1)操作系統(tǒng)
系統(tǒng)軟件的核心是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是由指揮與管理計算機系統(tǒng)運行的程序模板和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成的一種大型軟件系統(tǒng),其功能是管理計算機的硬件資源和軟件資源,為用戶提供高效、周到的服務(wù)。操作系統(tǒng)與硬件關(guān)系密切,是加在“裸機”上的第一層軟件,其他絕大多數(shù)軟件都是在操作系統(tǒng)的控制下運行的,人們也是在操作系統(tǒng)的支持下使用計算機的。操作系統(tǒng)是硬件與軟件的接口。
常用的操作系統(tǒng)有UNIX/Xenix、MS-DOS、Windows XP、Linux和OS/2。下面簡單介紹這些操作系統(tǒng)的發(fā)展過程和功能特點。
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