计算机基础与C++语言【1】-工作原理

1、u计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。u采用二进制表示数据和指令，指令由操作码和地址码组成。u存储程序控制。将程序和数据存放在内存中，程序运行时，从内存中取出指令逐条解释执行，自动完成程序设定的任务。指令的执行是顺序的，除非遇到跳转指令。即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，跳转指令实现非顺序执行。（1 1）只会进行数字运算，运算用电子方式实现，计算机的）只会进行数字运算，运算用电子方式实现，计算机的所有功能，不论其多复杂，最终均落实到数字的算术运算和所有功能，不论其多复杂，最终均落实到数字的算术运算和逻辑运算逻辑运算（2 2）数字运算用数字电路完成，而数字电

2、路中只用高电压）数字运算用数字电路完成，而数字电路中只用高电压和低电压两种状态表示数字，所以只能表示两个数字，对应和低电压两种状态表示数字，所以只能表示两个数字，对应为为0 0和和1 1，因此，计算机只能处理由，因此，计算机只能处理由0 0和和1 1构成的数字。构成的数字。（3 3）通常我们使用的数字有）通常我们使用的数字有01234567890123456789十个数字，而计算十个数字，而计算机只认识机只认识0 0、1 1两个数字，二者之间必然有一个对应和转换的两个数字，二者之间必然有一个对应和转换的问题，这个问题就是数制间的转换。问题，这个问题就是数制间的转换。 IPO的抽象层次可高可低的

3、抽象层次可高可低 任何计算机信息处理系统，都可在不同的层次和范围上将任何计算机信息处理系统，都可在不同的层次和范围上将其看成是一个其看成是一个IPO过程。过程。 IPO的对象形式多种多样的对象形式多种多样 IPO的对象（信息）形式极其丰富：数值、文字、图像、的对象（信息）形式极其丰富：数值、文字、图像、音频、视频等。音频、视频等。 IPO的方法的极其丰富的方法的极其丰富 有着多种有着多种IO设备，每种设备对应一种输入输出形式；处设备，每种设备对应一种输入输出形式；处理信息时可对信息进行计算、比较、分类、排序、检索、编理信息时可对信息进行计算、比较、分类、排序、检索、编码、传送等操作。码、传送等

4、操作。M给出实际应用中的例子，分析其三个方面！给出实际应用中的例子，分析其三个方面！计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件计算机硬件计算机硬件（Hardware）：）： 构成计算机的电子的、机械的物理部件。通常是看得见、构成计算机的电子的、机械的物理部件。通常是看得见、摸得着的。摸得着的。计算机软件计算机软件（Software）：）： 使计算机工作的使计算机工作的程序程序和程序运行时所需要的和程序运行时所需要的数据数据，以及与，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为和图表资料又称为文档

5、文档。1、计算机通过运行程序、计算机通过运行程序完成信息处理功能。完成信息处理功能。2、单独的软件或硬件均、单独的软件或硬件均不能做任何事情。不能做任何事情。主机主机外部设备外部设备运算器运算器控制器控制器内存储器内存储器外存储器外存储器存储器存储器输出设备输出设备硬硬 件件CPU输入设备输入设备ALUArithmetic Logic UnitCPUCentral Processing Unit 1、存储器（Memory）：存储器是用来存放数据和程序的部件。存储器的具体位置用地址（编号）来指代，类似于房间编号。 2、运算器（ALU）：对信息进行运算处理的部件。主要功能是对二进制数字进行算术（加

6、减乘除）和逻辑（与或非异或）运算。 3、控制器（Controller）：整个计算机的控制核心。主要功能是读取指令、分析指令、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。 4、输入设备（Input Device）：将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。 5、输出设备（Output Device）：输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。存储器存储器数据流数据流控制流控制流运算器运算器外存储器外存储器输输出出设设备备内存储器内存储

7、器输输入入设设备备控制器控制器（1 1）二进制只有两个数码）二进制只有两个数码“0”0”和和“1”1”，易于用电，易于用电位的位的“高高”、“低低”，脉冲的，脉冲的“有有”、“无无”，电路，电路的的“通通”、“断断”等物理状态表示。状态易于区别，等物理状态表示。状态易于区别，并且数据的存储、传送和处理可靠性高。并且数据的存储、传送和处理可靠性高。（2 2）运算规则简单，电子实现容易。）运算规则简单，电子实现容易。（3 3）二进制加、减、乘、除运算，可以归结为加、）二进制加、减、乘、除运算，可以归结为加、减、移位三种操作，减法转换为加法，只有两种操作。减、移位三种操作，减法转换为加法，只有两种操

8、作。（4 4）二进制中的）二进制中的“1”1”和和“0”0”与逻辑命题中的与逻辑命题中的“真真”、“假假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断创造了良好条件。序中的逻辑判断创造了良好条件。101011001122112101221(T) )-mR-mK-R-KRKRKn-Rn-Kn-Rn-(K R)-mK-K-.KKKKn-Kn-(KR(S)u运算规则：运算规则： 逢逢R进一，借一当进一，借一当R。若S为R进制的数，T为对应的十进制数，则有表示：M概念在十进制及二、八、十六进制中的具体化？概念在十进制及二、八、十六进制中的具体化？u基数：数制中用到的数

9、码的个数，R进制中共有0、1、R-1共R个数码。u位权：基数对应的指数，指数的幂是数位的序数，位权和位码的乘积决定了该位数码表示的值。上式中Ri是位权。101011001122112101221(T) )-mR-mK-R-KRKRKn-Rn-Kn-Rn-(K R)-mK-K-.KKKKn-Kn-(KR(S)若S为R进制的数，T为对应的十进制数，则有表示：M1、N位二进制能表示的最大正数？位二进制能表示的最大正数？M2、R进制转化为十进制？进制转化为十进制？2 1 1222521011010.625 * 210.25 * 200.5 * 21 0.0 商商0为止为止 积为积为0或一定精度为止或一

10、定精度为止 低低高高高高低低M十进制正数转化为十进制正数转化为R进制？进制？0255、0.2、1/3、 类似可以进行乘除运算！在实际机器中，乘除运算是转化为加法及移位运算完成的！二进制算术运算包括加、减、乘、除四种运算。10100101 1 = 01001010 10100101 1 = 01010010 10100101 2 = 00101001u二进制数移位运算包括：算术移位、逻辑移位、循环移位，可以左移n位、右移n位。u下面是逻辑移位的例子。u逻辑移位中，左移1位相当于乘2取模，右移1位相当于除2取整。二进制数逻辑运算包括与、或、非、二进制数逻辑运算包括与、或、非、 异或四种运算。异或四

11、种运算。要求两个数位数相等，按位对齐运算。要求两个数位数相等，按位对齐运算。M异或运算的特殊性质？异或运算的特殊性质？（1）系统软件：管理、监控和维护计算机软硬件资源的软件。u 操作系统：WINDOWS、iOS、UNIX、LINUXu 语言处理程序：机器语言、汇编语言和高级语言u 数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件u 服务程序：例如诊断程序、排错程序等 （2）应用软件：除了系统软件以外的所有软件，是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw$16, 0($)sw$15, 4($2)temp = vktem

12、p = vk;vkvk = vk+1; = vk+1;vk+1 = temp;vk+1 = temp;高级语言程序高级语言程序汇编语言程序汇编语言程序汇编器0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 同一程序可以用不同级别的同一程序可以用不同级别的语言编制，语言级别越低，编程语言编制，语言级别越低，编程难度越大难度越大。不同（层次）的语言相互理解需要翻译，即编译与反编译。编译器解释执行机器语言程序机器语言程序控制信号描述控制信号描

13、述 指令：指示计算机执行某种操作的命令。指令：指示计算机执行某种操作的命令。1、是计算机可执行的原子操作，这些操作由硬件直接实现。、是计算机可执行的原子操作，这些操作由硬件直接实现。2、指令的格式。指令、指令的格式。指令=操作码操作码(OC)+地址码地址码(AC) 。3、操作码。指明指令进行什么操作的命令码。、操作码。指明指令进行什么操作的命令码。4、地址码。指明该指令的操作数据在哪里（寄存器、存储器、地址码。指明该指令的操作数据在哪里（寄存器、存储器等）。等）。例：0010 10110110 11010011指令码(Operation Code)，表示两数相加，结果放在被加数所在单元。被加数

14、所在存储单元加数所在存储单元指令系统：某类指令系统：某类CPU能执行的所有指令的集合。能执行的所有指令的集合。1、指令通常由硬件直接实现，指令条数越多，计算机设计制、指令通常由硬件直接实现，指令条数越多，计算机设计制造越困难。造越困难。2、指令类别。数据传送、算术运算、逻辑运算、程序控制、指令类别。数据传送、算术运算、逻辑运算、程序控制、I/O、字符串处理、系统控制。、字符串处理、系统控制。3、指令周期。取出并执行一条指令的时间。由于指令的复杂、指令周期。取出并执行一条指令的时间。由于指令的复杂程度不同，指令周期长短不同。单位时间能够执行的指令越程度不同，指令周期长短不同。单位时间能够执行的指

15、令越多，处理速度越快。多，处理速度越快。4、总是用限定长度的编码表示指令，所以一台计算机的指令、总是用限定长度的编码表示指令，所以一台计算机的指令条数从几十条到几百条不等。并不是指令越多越好，只要指条数从几十条到几百条不等。并不是指令越多越好，只要指令集完备，就可用编程的方法完成任何功能。令集完备，就可用编程的方法完成任何功能。5、计算机的、计算机的CPU型号不同，其指令系统就不同。型号不同，其指令系统就不同。u 程序程序：由指令系统提供的指令，按照用户所要完成的功能：由指令系统提供的指令，按照用户所要完成的功能书写的一段指令集合。书写的一段指令集合。1、不论计算机做什么，最终都由指令集中的指

16、令组合实现。、不论计算机做什么，最终都由指令集中的指令组合实现。2、编程就是按功能组织指令的过程。、编程就是按功能组织指令的过程。u 运行方法运行方法：首先将程序（指令序列）装载到内存储器中，：首先将程序（指令序列）装载到内存储器中，CPU从内存中逐条取出指令，然后对指令进行译码、分析，从内存中逐条取出指令，然后对指令进行译码、分析，最后由控制器发出所需控制信号加以执行最后由控制器发出所需控制信号加以执行 。此即存储程序控。此即存储程序控制。制。程序（指令序列）程序（指令序列）从存储器取一条指令从存储器取一条指令分析指令？分析指令？执行指令执行指令结结 束束MemoryI/O暂存数据的存储体暂

17、存数据的存储体服务于多种用途服务于多种用途位长决定位长决定存储能力存储能力CPU当中有数十到当中有数十到数百个寄存器。数百个寄存器。1 1、总线（、总线（BusBus）：传送信息的公用通道，）：传送信息的公用通道，用于传送数据、地址、控制信号。用于传送数据、地址、控制信号。2 2、控制器首先控制某个部件将数据送、控制器首先控制某个部件将数据送到总线上，然后控制另一部件到总线上到总线上，然后控制另一部件到总线上去取数据。去取数据。3 3、总线宽度（一次能传送的二进制位、总线宽度（一次能传送的二进制位数）是重要指标。数）是重要指标。 交互层次交互层次面对不同的软件：系统软件、应用软件，最先面对的是

18、操作系统（OS）。 交互方式交互方式面对不同的操作界面：图形用户界面(GUI)、字符界面(CUI)、编程接口界面(API) 交互实现交互实现最终由硬件的原子功能直接实现。OS（Operating System)、API（Application Programming Interface）GUI（Graphical User Interface）、CUI（Character User Interface）硬硬 件件操作系统操作系统其它软件其它软件用用 户户uCPU主频主频 CPU内数字脉冲信号震荡的速度，或CPU在1秒内能进行多少次状态切换。CPU的主频决定了单位时间内能够执行的指令的条数，单位

19、为兆赫兹(MHz)。 主频并不直接代表运算速度，但很大程度上决定计算机的运算速度，计算机的整体性能取决于众多因素，如总线的工作频率，内存的工作频率等。 u多核多核CPU 由于制作工艺和发热的原因， CPU主频的提高受到了限制，CPU设计制造商发展了多核技术。将多个CPU封装在一起，或在一个CPU内封装多个运算核心，以提升整个CPU的处理性能。位位字字(2、4个字节个字节)位位(Bit)(Bit)、字节、字节(Byte)(Byte)、字、字(Word)(Word)字节（字节（8bits）0000H0001H0002HFFFFH存储位：比特（存储位：比特（bit）存储单元存储单元（字节）（字节）存储体存储体1K=1024B1K=1024B（2 21010）1M=1024K1M=1024K（2 22020）1G=1024M1G=1024M（2 23030）1T=1024G1T=1024G（2 24040）按字节顺序编址按字节顺序编址u存储容量存储容量 有内存容量和外存容量两种指标。有内存容量和外存容量两种指标。 存储容量越大，能存储的信息就越多。常用存储容量越大，能存储的信息就越多。常用字节字节数数(Byte)来表示。来表示。1KB=1024B，1MB=1024