计算机基础

一、计算机分类和应用

• 分类

1. 按处理机性能分类
   1、按大小划分
   种类：巨型、大型、中型、小型、微型机
   划分原则：以性能为特征，按价格来划分
   存在问题：划分的标准是随着时间而变化的，没5年左右降低一个等级。
   设计方法：最高性能 特殊用途
   最佳性能价格比 一般商用计算机
   最低价格 家用计算机等
   2、按用途划分
   种类：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。
   划分原则：
   科学计算：浮点计算速度
   事务处理：字符处理、十进制运算
   实时控制：中断响应速度、I/O能力
   工作站：图形处理能力
   服务器：数据处理速度，数据存储能力
   家用计算机：价格便宜，软件丰富
   发展方向：具备上述所有功能的通用处理机
   各种专用处理机、协处理器、嵌入式处理机
   3、按数据类型划分
   定点计算机、浮点计算机、向量计算机、堆栈计算机等
   4、按处理机个数和种类划分
   单处理机
   并行处理机、多处理机、分布处理机
   关联处理机
   超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处理机
   SMP(对称多处理机)、MPP(大规模并行处理机)、机群(Cluster)系统等。
   5、按所使用的器件划分
   按使用的器件划分计算机系统的时代
   第一代：电子管(Valve)计算机
   第二代：晶体管(Transistor)计算机
   第三代：集成电路(LSI)计算机
   第四代：大规模集成电路(VLSI)计算机
   第五代：智能计算机？
   目前的绝大部分计算机系统是VLSI计算机。

2. 佛林分类法

3. 库克分类法

4. 冯泽云分类法

5. 汉德勒分类法

• 应用
  科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。

二、计算机的硬件

从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。
主机箱内主要包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；
外部设备包括鼠标、键盘等。

逻辑组成：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个逻辑部件组成。

• 控制器（Control Unit）
  控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其它部件发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。 是整个计算机系统的控制中心。
• 运算器
  运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。
  计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

控制器与运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

• 存储器（内存，外存）
  存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。存储器按功能可分为主存储器（简称主存）和辅助存储器（简称辅存）。主存是相对存取速度快而容量小的一类存储器，辅存则是相对存取速度慢而容量很大的一类存储器。

主存储器，也称为内存储器（简称内存），内存直接与CPU相连接，是计算机中主要的工作存储器，当前运行的程序与数据存放在内存中。
辅助存储器也称为外存储器（简称外存），计算机执行程序和加工处理数据时，外存中的信息按信息块或信息组先送入内存后才能使用，即计算机通过外存与内存不断交换数据的方式使用外存中的信息。PC常用的外存是软磁盘（简称软盘）和硬磁盘（简称硬盘），但是光盘、U盘、移动硬盘的使用也越来越普及。

• 输入设备（InputDevice）
  是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。向计算机输入数据和信息的设备。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。
• 输出设备（Output Device）
  是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。

三、计算机软件

软件是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机系统具有较高的总体效用，在设计计算机系统时，必须通盘考虑软件与硬件的结合，以及用户的要求和软件的要求。

软件包括运行在硬件上的程序和数据，以及相关的文档。
程序是指挥计算机如何操作一个指令序列。也即程序是由指令组成。
指令是计算机硬件能够直接理解并执行的最基本操作。
数据是指令操作的对象。

计算机软件按照面向对象的不同可分两类:

• 系统软件
  系统软件是负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。

  系统软件是各类操作系统，如windows、Linux、UNIX等，还包括操作系统的补丁程序及硬件驱动程序，都是系统软件类。

  一般来讲，系统软件包括操作系统和一系列基本的工具（比如编译器，数据库管理，存储器格式化，文件系统管理，用户身份验证，驱动管理，网络连接等方面的工具）。
  具体包括以下四类：

  • 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；
  • 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序；
  • 操作系统；
  • 数据库管理系统。

• 应用软件
  可以细分的种类就更多了，如工具软件、游戏软件、管理软件等都属于应用软件类。
  应用软件是为了某种特定的用途而被开发的软件。它可以是一个特定的程序，比如一个图像浏览器。也可以是一组功能联系紧密，可以互相协作的程序的集合，比如微软的Office软件。也可以是一个由众多独立程序组成的庞大的软件系统，比如数据库管理系统。
  软件一般是用某种程序设计语言来实现的。通常采用软件开发工具可以进行开发。

四、计算机系统层次结构

计算机系统层次结构，指的是计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层。把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

1. 硬联逻辑级编辑
   第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。
2. 微程序级编辑
   第一级是微程序级。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件执行的。
3. 传统机器级编辑
   第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
4. 操作系统级编辑
   第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。
5. 汇编语言级编辑
   第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。
6. 高级语言级编辑
   第五级是高级语言级，这级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。
   7.应用语言级编辑
   第六级是应用语言级，
   这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。
   把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

计算机系统层次结构.png 计算机系统层次结构.png

计算机的工作过程

• 用户打开程序
• 系统把程序代码段和数据段送入计算机的内存
• 控制器从存储器中取指令
• 控制器分析,执行指令,为取下一条指令做准备
• 取下一条指令,分析执行,如此重复操作,直至执行完程序中全部指令,便可获得全部指令。

指令格式
(1)操作码,具体说明了操作的性质及功能.
(2)操作数的地址.
(3)操作结果的存储地址.
(4)下一条指令的地址.