全国计算机等级考试四级详细复习纲要.pdf

第一章考试要点 一 计算机的发展 自从 1946 年 2 月现代电子计算机的鼻祖 ENIAC electronic numerical integrator and computer 在美国宾 夕法尼亚大学问世以后 短短 50 年里 计算机技术经历了巨大的变革 学术界经常使用器件 硬件 划分计算机的发展史 如第一代电子管计算机 1947 1957 第二代晶体管 计算机 1958 1964 第三代集成电路计算机 1964 1972 第四代大规模集成电路计算机 1972 目前 提出了所谓的第五代 或新一代 计算机 从 1946 年到 50 年代后期 1946 1957 为电子管计算机时期 计算机的元器件主要由电子管 vacuum tube 组成 其特点是体积庞大 功耗高 运算速度较低 如 ENIAC 占地 170m 2 重达 30t 功耗为 140kW 有 18000 多个电子管 每秒钟能进行 5000 次加法计算 这一阶段 计算机主要用于军事 国防等尖端技 术领域 除了 ENIAC 以外 1945 年左右 冯 诺依曼等人在研制 EDVAC electronic discrete variable computer 时 提出了存储程序 stored program 概念 奠定了以后计算机发展的基石 IBM 公司 1954 年 12 月推出的 IBM650 是第一代计算机的代表 从 20 世纪 50 年代后期到 60 年代中期 1958 1964 为晶体管计算机时期 自从 1947 年晶体管 transistor 在贝尔实验室诞生后 引发了一场影响深远的电子革命 体积小 功耗低 价格便宜的晶体管取代了电子管 不仅提高了计算机的性能 也使计算机在科研 商业等领域内广泛地被 应用 第二代计算机不仅采用了晶体管器件 而且存储器改用速度更快的磁芯存储器 与此同时高级编程语 言和系统软件的出现 也大大提高了计算机的性能和拓宽了其应用领域 这一时期计算机的代表主要有 DEC 公司 1957 年推出的 PDP I IBM 公司于 1962 年推出的 7094 以及 CDC 公司 1964 年研制成功的 CDC6600 1969 年 CDC 公司研制的 DCD7600 平均速度达到每秒千万次浮点运算 从 20 世纪 60 年代中期到 70 年代初期 1965 1972 为集成电路计算机时代 第一代和第二代计算机均 采用分离器件 discrete component 组成 集成电路 integrated circuit 的出现 宣告了第三代计算机的来临 由于采用了集成电路 使得计算机的制造成本迅速下降 同时因为逻辑和存储器件集成化的封装 大大提高 了运行速度 功耗也随之下降 集成电路的使用 使得计算机内各部分的互联更加简单和可靠 计算机的体 积也进一步缩小 这一时期的代表为 IBM 的 system 360 和 DEC 的 PDP 8 从 20 世纪 70 年代初期到 70 年代后期 1972 1978 为大规模集成电路 LSI 计算机时代 20 世纪 70 年 代初半导体存储器的出现 迅速取代了磁芯存储器 计算机的存储器向大容量 高速度的方向飞速发展 存储器芯片从 1kbit 4kbit 16kbit 64kbit 256kbit 1Mbit 4Mbit 发展到 16Mbit 1992 年 接着就进入了超大规模集成电路 VLSI 计算机时代 随着技术的日新月异 软件和通信的重要性也逐 步上升 成为和硬件一样举足轻重的因素 同时系统结构的特点对计算机的性能也有巨大的影响 中断系统 Cache 存储器 流水线技术等等 实际上在第三代计算机以后 就很难找到一个统一的标准进行划分 也可以从应用的观点来划分计算机的发展史 最早的应用是军事上的需要 如炮弹弹道计算 核武器 的设计等 其次是广泛地用于科学计算 工程设计计算 第三阶段是大量用于管理 现在计算机的 80 以上 用于管理 再接着是计算机辅助设计 CAD 和辅助制造 CAM 进入 90 年代 计算机的应用已趋向于综合化 和智能化 例如在一个企业里 计算机不仅用于科学计算 辅助设计和辅助制造 还用于辅助管理和辅助 决策 MIS 与 DSS 以及办公自动化 OA 等等 使设计 生产自动化和管理自动化融为一体 形成所谓计 算机集成制造系统 CIMS Computer Integrated Manufacturing System 再发展下去就是工厂自动化 Factory Automation 或称无人工厂 DSS Decision Support System ES Expert System 利用人工智能 AI Artifcation In telligence 技术 让计算机代替人判断 推理 寻找最优方案 以辅助决策者决策 目前更 流行的是认为计算机的发展经过了三次浪潮 wave 计算机的发展第一个浪潮是单个主机 Mainframe 的时期 以 IBM360 370 为代表的大型机的出现 其特点是以批处理为主 主要用于大规模科学计算 第二次浪潮为客户机 服务器 Client Server 的时期 这时期出现了小型机 微型机和局域网 其特点是 多用户分时处理 第三个浪潮是 70 80 年代的微型计算机 PC Personal Computer 的出现 现在正处于第三次浪潮 网络 计算机的时期 即以网络为中心或以网络为基础的计算机时期 目前计算机向综合的方向发展 将各种计算机的特点和优点综合起来 并结合了多媒体技术 通信技 术等 把人类带入了网络社会 二 计算机的分类及其应用 计算机分类的方法大致可分如下几种 1 按信息的形式和处理方式分类 计算机按信息的形式和处理方式可分为数字计算机 模拟计算机以及数字混合计算机 2 按计算机的用途分类 计算机按用途可分为通用计算机和专用计算机 3 按计算机规模分类 计算机按规模可划分为巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机等 计算机的应用如下 1 在科学计算中的应用 2 在实时控制中的应用 3 在数据处理中的应用 4 计算机在辅助设计和辅助制造 CAD CAM 中的应用 5 办公自动化系统中的应用 三 计算机硬件结构 实际应用的计算机系统是由计算机硬件系统 软件系统以及通信网络系统组成的一个整体系统 计算 机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合 通常这些部件由电路 电子元件 机械等物理部件组 成 它们都是看得见摸得着的 故通常称为 硬件 计算机硬件结构也可以称为冯 诺伊曼结构 它由五 大部件组成 主机部分由运算器 控制器 存储器组成 外设部分由输入设备和输出设备组成 其中核心部 分部件是运算器 计算机硬件之间的连接线路分为网状结构与总线结构 这里主要介绍总线 BUS 结构 总线结构有如 下几种形式 1 以 CPU 为中心的双总线结构 所谓总线实际上是一组并行的导线 导线的数目和计算机字长相同 数据和指令通过总线传送 2 以存储器为中心的双总线结构 3 单总线结构 主要部件功能 1 运算器 运算器是完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件 运算器由累加器 用符号 LA 通用寄存器 用符 号LB 和算术逻辑单元 用符号 ALU 组成 核心是算术逻辑单元 2 存储器 在计算机中的存储器包括内存储器 又叫主存储器或随机存储器 简称内存或主存 外存储器 只读 存储器和高速缓冲存储器以及寄存器等 随机存储器是按地址存取数据的 若地址总线共有 20 条地址线 A 0 A19 即有 20 个二进制位 可形成 2 20 1048576 个地址 1 兆地址 3 控制器 控制器由三大部件组成 它们是指令部件 时序部件和操作控制部件 1 指令部件 指令部件包括程序计数器 PC 指令寄存器 IR 和指令译码器 ID 2 时序部件 时序部件产生定时节拍 一般由时钟信号源 节拍发生器及微操作电路组成 4 输出寄存器 输出寄存器用于存放输出结果 以便由它通过必要的接口 输出通道 在输出设备上输出运算结果 5 输入设备 目前主要通过 CRT 终端和键盘实现人机对话 磁性设备阅读机 光学阅读机等可作为输入设备 四 计算机软件的功能及分类 所谓软件是指为运行 维护 管理 应用计算机所编制的所有程序的总和 软件分为系统软件和应用 软件 系统软件包括计算机操作系统 Operation System 计算机的各种管理程序 监控程序 调试程序 编 辑程序以及各种语言的编译或解释程序等 应用软件是为解决各种实际问题而设计的程序 1 操作系统 操作系统具有三大功能 管理计算机硬 软件资源 使之有效使用 组织协调计算机的运行 以增强系 统的处理能力 提供人机接口 为用户提供方便 操作系统具有的功能 1 作业操作 2 资源管理 3 中断处理 4 I O 处理 5 调度 6 错误处理 7 保护和保密处理 8 记帐 操作系统的基本类型 1 批处理操作系统 2 分时系统 3 实时系统 操作系统的管理功能主要内容 1 处理机管理 2 存储管理 3 文件管理 4 设备管理 2 数据库管理系统 数据库管理系统既可以认为是一个系统软件也可以认为是一个通用的应用软件 目前有三种类型的数 据库管理系统 故可存放三种模型的数据 这三种数据库管理系统分别为层次数据库 网状数据库和关系 数据库 3 计算机网络软件 计算机网络系统是通过通信线路连接的硬件 软件与数据集合的一个计算机系统 从硬件来说 除计 算机作为网络的结点以外 还有如服务器 也可用一台计算机 网络适配器 终端控制器以及网络连接器 等硬件设备 从软件来说 有网络操作系统 网络通信及协议软件 网络数据库管理系统等 4 高级语言及语言处理器 用户用高级语言编写的程序称源程序 源程序不能由计算机直接执行 必须翻译成机器能执行的语言 机器语言 这种翻译是由机器自动翻译的 译员 称编译程序或编译器 当源程序输入计算机后 调用编译程序编译成机器语言 称目标程序 然后执行 还有一种语言处理程序叫解释程序 输入一条语 句 翻译一条 现在已出现了第 4 代语言 4GL 和计算机辅助软件工具 CASE 5 常用的通用软件 在数据处理 事务处理 报表处理中有许多通用软件 如字处理软件 WPS WORD 报表处理软件 LOTUS1 2 3 等 五 计算机数据表示 1 二进位计数制 引入二进制数字系统的计算机结构和性能具有如下的优点 1 技术实现容易 2 二进制运算规则简单 3 计算机中二进制数的 0 1 数码与逻辑代数变量值 0 与 1 吻合 所以二进制同时可以使计算机方便 地进行逻辑运算 4 二进制数和十进制数之间的关系亦不复杂 2 进位计数制相互转换 十进制数转换成二进制数 十进制数据转换为二进制数时 因整数部分与小数部分转换算法不同 需要分别进行 全国计算机等级考试四级复习纲要一 2 1 整数转换方法 除基取余法 十进制整数除以 2 取余数作最低位系数 k0 再取商的整数部分继续除以 2 取余数作高一位的系数 如 此继续直到商为 0 时停止除法 最后一次的余数就是整数部分最高有效位的二进制系数 依次所得到的余 数序列就是转换成的二进制数 因为除数 2 是二进制的基数 所以这种算法称作 除基取余 法 2 小数转换方法 乘基取整法 把十进制小数乘以 2 取其积的整数部分作对应二进制小数的最高位系数 k 1 再取积的纯小数部分乘 以 2 新得积的整数部分又作下一位的系数 k 2 再取其积的纯小数部分继续乘 2 直到乘积小数部分 为 0 时停止 这时乘积的整数部分是二进制数最低位系数 每次乘积得到的整数序列就是所求的二进制小 数 这种方法每次乘以基数取其整数作系数 所以叫乘基取整法 需要指出的是并不是所有十进制小数都 能转换成有限位的二进制小数并出现乘积的小数部分 0 的情况 有时整个换算过程无限进行下去 此时可 以根据要求并考虑计算机字长 取定长度的位数后四舍五入 这时得到的二进制数是原十进制数的近似值 一个既有整数又有小数部分的数送入计算机后 由机器把整数部分按 除基取余 法 小数部分按 乘 基取整 法分别进行转换 然后合并 任意进制数转换成十进制数 任意一种进位计数制的数转换成十进制数的方法都是一样的 把任意进制数按权展开成多项式和的形 式 把各位的权与该位上的数码相乘 乘积逐项相加 其和便是相应的十进制数 十进制数转换成任意进 制数 十进制数转换成任意进制数与十进制数转换成二进制数的方法完全相同 即整数部分用除基取余的算 法 小数部分用乘基取整的方法 然后将整数与小数拼接成一个数作为转换的最后结果 3 数的机器码表示 符号数的机器码表示 1 机器数和真值 数在计算机中的表示形式统称为机器数 机器数有两个基本特点 其一 数的符号数值化 实用的数 据有正数和负数 因为计算机只能表示 0 1 两种状态 数据的正号 或负号 在机器里就用一位 二进制的 0 或 1 来区别 通常这个符号放在二进制数的最高位 称符号位 以 0 代表符号 以 1 代表 符号 这样正负符号就被数值化了 因为有符号占据一位 数的形式值就不等于真正的数值 带符号 位的机器数对应的数值称为机器数的真值 机器数的另一个特点是二进制的位数受机器设备的限制 机器内部设备一次能表示的二进制位数叫机 器的字长 一台机器的字长是固定的 字长 8 位叫一个字节 Byte 现在机器字长一般都是字节的整数倍 如字长 8 位 16 位 32 位 64 位 符号位数值化之后 为能方便的对机器数进行算术运算 提高运算速度 计算机设计了多种符号位与 数值一起编码的方法 最常用的机器数表示方法有三种 原码 反码和补码 2 原码表示法和反码表示法 一个机器数 X 由符号位和有数数值两部分组成 3 补码表示法 complement 设计补码表示法的目的是 使符号位能和有效数值部分一起参加数值运算从而简化运算规则 节省运 算时间 使减法运算转化成加法运算 从而进一步简化计算机中运算器的线路设计 计算机是一种有限 字长的数字系统 因此都是有模运算 超过模的运算结果都将溢出 n 位二进制整数的模是 2 n 对于二进制数还有一种更加简单的方法由原码求得补码 正数的补码表示与原码一样 X 补 X 原 负数的补码是将原码符号位保持 1 之后其余各位取相反的码 末位加 1 便得到补码 即取其原码 的反码再加 1 X 补 X 反 1 真值 0 和 0 的补码表示是一致的 但在原码和反码表示中具有不同的形式 8 位补码机器数可以表示 128 但不存在 128 的补码与之对应 由此可知 8 位二进制补码能表示数的范围是 128 127 应该注意 不存在 128 的 8 位原码和反码形式 根据互补的概念 一个补码机器数再求一次补就得到机器数的原码了 定点数与浮点数 1 定点数 fixed point number 计算机处理的数据不仅有符号 而且大量的数带有小数 小数点不占有二进制一位而是隐含有机器数 里某固定位置上 通常采用两种简单的约定 一种是约定所有机器数的小数点位置隐含在机器数的最低位之 后 叫定点纯整数机器数 简称定点整数 另一种约定所有机器数的小数点位置隐含有符号位之后 有效数值部分最高位之前 叫定点纯小数机 器数 简称定点小数 计算机采用定点数表示时 对于既有整数又有小数的原始数据 需要设定一个比例因子 数据按比例 因子缩小成定点小数或扩大成定点整数再参加运算 结果输出时再按比例折算成实际值 n 位原码定点整 数的表示范围是 2 n 1 1 X 2 n 1 1 n 位原码定点小数的表示范围是 1 2 n 1 X 1 2 n 1 当 机器数小于定点数的最小值时 被当作 0 处理 超出定点数的最大值时 机器无法表达 称作 溢出 此时机器将停止运算 屏幕显示溢出警告 定点数表示方法简单直观 不过定点数表示数的范围小 不易选择合适的比例因子 运算过程容易产 生溢出 2 浮点数 floating point number 计算机采用浮点数来表示数值 它与科学计算法相似 把任意一个二进制数通过移动小数点位置表示 成阶码和尾数两部分 N 2 E S 其中 E N 的阶码 exponent 是有符号的整数 S N 的尾数 mantissa 是数值的有效数字部分 一般规定取二进制定点纯小数正式 浮点数运 算必须化成规格化形式 所谓规格化 对于原码尾数应使最高数字位 S1 1 如果不是 1 且尾数不是全为 0 时就要移动尾数直到 S1 1 阶码相应变化 保证 N 值不变 如果尾数是补码 当 N 是正数时 S1 必须 是 1 而 N 是负数时 S1 必须是 0 才称为规格化的形式 4 数字编码 十进制数在机内转换成二进制数时 有时也以一种中间数字编码形式存在 它把每一位十进制数用四 位二进制编码表达 每一组只表达 0 9 的数值运算时 有专门的线路在每四位二进制间按 十 进位处 理 故称为二进制编码的十进制数 BCD 码 Binary Coded Decimal 或称二 十进制数 其编码种类很 多 如格雷码 余 3 码等 最常用的叫 8421BCD 码 4 个二进制位自左向右每位的权分别是 8 4 2 1 0 9 的 8421 码与通常的二进制一样进位 十分简单 当计数超过 9 时 需要采取办法自动向十进制高位 进一 即要进行 十进制调整 才能得到正确结果 5 校验码 由于器件质量不可靠 线路工艺不过关 远距离传送带来的干扰或受来自电源 空间磁场影响等因素 使得信息在存取 传送和计算过程中难免会发生诸如 1 误变为 0 的错误 计算机一旦出错 要能及 时检测并纠正错误 其中一种方法是对数据信息扩充 加入新的代码 它与原数据信息一起按某种规律编 码后具有发现错误的能力 有的甚至能指出错误所在的准确位置使机器自动纠正 能起这种作用的编码叫 校验码 check code 奇偶校验码 将每个数据代码扩展一个二进位作校验位 parity bit 这个校验取 0 还是取 1 的原则是 若是奇校验 odd parity 编码是含 1 的个数连同校验位的取值共有奇数个 1 若是偶校验 even parity 连同校验位在 内编码里含 1 的个数是偶数个 交叉校验 计算机进行大量字节传送时一次传送几百甚至更多字节组成的数据块 如果不仅每一个字节有一个奇 偶校验位 称横向校验 而且全部字节的同一位也设置了一个奇偶校验位 称纵向校验 对数据 块代码的横向纵向同时校验 这种情况叫交叉校验 循环冗余校验码 CRC 码 Cyclic Redundancy Check 计算机信息传向远方终端或传到另一个计算中心时 信息沿一条通信线路一位位传送 这种通信方式 叫串行通信 循环冗余码 简称 CRC 码 就是一种检验能力很强 在串行通信中广泛采用的校验编码 1 CRC 码 串行传送的信息 M X 是一串 k 位二进制序列 在它被发送的同时 被一个事先选择的 生成多项式 相除 生成多项式 长 r 1 位 相除后得到 r 位余数就是校验位 它拼接到原 k 位有效信息后面即形成 CRC 码 CRC 码到达接收方时 接收方的设备一方面接收 CRC 码 一方面用同样的生成多项式相除 如 果正好除尽 表示无信息差错 接收方去掉 CRC 码后面 r 位校验 收下 k 位有效信息 当不能除尽时 说 明有信息的状态位发生了转变 即出错了 一般要求重新传送一次或立即纠错 2 CRC 码计算 传送信息时生成 CRC 码以及接收时对 CRC 码校验都要与 生成多项式 相除 这里除法是 模 2 运 算 即二进位运算时不考虑进位和借位 作模 2 除法时 取商的原则是当部分余数首位为 1 时商取 1 反 之商取 0 然后按模 2 减 求部分余数 这个余数不计高位 当被除数逐位除完时 最后余数的位数比除 数少一位 该余数就是校验位 它拼接在有效信息后面组成 CRC 码 因为校验位扩充了传送部分的代码 所以这是一种基于 冗余校验 的思想的校验办法 3 生成多项式 CRC 码是 M X 除以某一个预先选定的多项式后产生的 所以这个多项式叫生成多项式 并不是任何 一个 r 1 位的编码都可以作生成多项式用 它应能满足当任何一位发生传送错误时都能使余数不为 0 并 且不同位发生错误时应当使余数也不同 这样不但能检错而且能推断是哪一位出错 从而有利准确的纠错 有两个生成多项式 其检错率很高 X 16 X 15 X 2 1 X 16 X 12 X 6 1 6 非数值数据的表示方法 计算机中数据的概念是广义的 机内除有数值数据之外 还有文字 符号 图象 语言和逻辑信息等 等 因为它们也都是 0 1 形式存在 所以称为非数值数据 1 字符数据 字符数据主要指数字 字母 通用符号 控制符号等 在机内它们都被变换成计算机能够识别的二进 制编码形式 国际上被普遍采用的一种编码是美国国家信息交换标准代码 American Standard Code for Information Interchange 简称 ASCII 码 ASCII 码选择了四类共 128 种常用的字符 数字 0 9 字母 通用符号 动作控制符 2 逻辑数据 逻辑数据是指计算机不带符号位的一位二进制数 逻辑数据在计算机中虽然也是 0 或 1 的形式 但是与数值有很大区别 逻辑数据的取值只有 0 和 1 两个值 不可能再有其他值 而数值数据与 1 的不同组合可以反 映很多不同数值 逻辑数据的 0 和 1 代表两种成对出现的逻辑概念 与一般数学中代表 0 和 1 的数值概 念截然不同 逻辑数据和逻辑数据运算可以表达事物内部的逻辑关系 而数值数据表达的是事物的数量关系 汉 字 1 汉字字音编码 2 汉字字形编码 3 汉字音形编码 4 电报码 5 整字编码为了能在不同的汉字系统之间交换信息 高效率高质量共享汉字信息 近年来国家推出了 一系列有关中文信息处理的标准 比如 1981 年我国制定推行的 GB2312 80 国家标准信息交换用流字编码 字符集 基本集 简称国标码 以及若干辅助集 国标码收集 制定的基本图形字符有 7 千余个 其 中常用汉字 3755 个 次常用汉字 3008 个 共 6763 个汉字 还有俄文字母 日语假名 拉丁字母 希腊 字母 汉语拼音 每字节内占用 7bit 信息 最高位补 0 例如汉字 啊 的国际码 前一字节是 01100000 后一字节是 00100001 编码为 3021H 汉字内部码是汉字在计算机内部存储 运算的信息代码 内部码的设计要求与西文信息处理有较好的 兼容性 当一个汉字以某种汉字输入方案送入计算机后 管理模块立刻将它转换成两字节长的 GB2312 80 国标码 如果给国标码的每字节最高位加 1 作为汉字标识符 就成为一种机器内部表示汉字的代码 汉字内部码 汉字内部码的特点十分明显 汉字内部码结构简短 一个汉字内部码只占两个字节 两字节足以表达数千个汉字和各种符号图形 且又节省计算机存储空间 便于和西文字符兼容 西文字符的 ASCII 码占一个字节 两字节的汉字内码可以看成是它扩展的字 符代码 在同一个计算机系统中 只要从最高位标识符就能区分这两种代码 标识符是 0 即是 ASCII 码 标识符是 1 则是汉字内部码 7 语音识别及语言表示原理 语音产生机理的研究表明 每一种语言的语音都有自己特定的音素特征 语音是不同频率振动的结果 分析语音的音素特点 找出音素的基频和高次频率优分 就能在计算机中建立发音系统的模型 在实施中 对语音采样 通过滤波器分解提取频率信息 由模 数转换设备转换成数字输入计算机 与机内的语言模型 比较 由此达到识别语音的目的 与此相反 如果选择已知音素的参数 应用语音系统模型 就能得到指 定的音素 进一步按照一定的规则合成语言 六 运算器 1 运算器的组成 多功能算术 逻辑运算单元 ALU 1 基本思想 2 逻辑表达式 对一片 ALU 来说 可有三个进位输出 其中 G 称为进位发生输出 P 称为进位传送输出 在电路中 多加这两个进位输出的目的是为了便于实现多片 组 ALU 之间的先行进位 为此 还需一个配合电路 它 称为先行进位发生器 CLA 内部总线 根据总线所处位置 总线分为内部总线和外部总线两类 内部总线是指 CPU 内各部件的连线 而外 部总线是指系统总线 即 CPU 与存储器 I O 系统之间的连线 按总线的逻辑结构来说 总线可分为单向传送总线和双向传送总线 所谓单向总线 就是信息只能向 一个方向传送 所谓双向总线 就是信息可以向两个方向传送 换句话说 总线既可以用来发送数据 也 可以用来接收数据 总线的逻辑电路往往是三态的 即输出电平有三种状态 逻辑 1 逻辑 0 和 浮空 状态 2 运算器的基本结构 运算器包括 ALU 阵列乘除器件 寄存器 多路开关或三态缓冲器 数据总线等逻辑部件 现代计算 机的运算器大体有如下三种结构形式 单总线结构的运算器 双总线结构的运算器 三总线结构的运算 器 七 控制器 1 控制器在 CPU 中的位置 中央处理器 CPU 由两个主要部分 控制器及运算器组成 其中程序计数器 指令寄存器 指令 译码器 时序产生器和操作控制器等组成了控制器 它是对计算机发布命令的 决策机构 协调和指挥 整个计算机系统的操作 因此 它处于 CPU 中极其重要的位置 在 CPU 中 除算术逻辑单元 ALU 及累 加器外 尚有下列逻辑部件 1 缓冲寄存器 DR 缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字 反之 当向内存存入一条指令或一 个数据字时 也暂时将它们存放在这里 缓冲寄存器的作用是 作为 CPU 和内存 外部设备之间信息传 送的中转站 补偿 CPU 和内存 外部设备之间在操作速度上的差别 在单累加器结构的运算器中 缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器 2 指令寄存器 IR 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令 指令划分为操作码和地址码字段 它们由二进制数字组成 为执行任何给定的指令 必须对操作码进行译码 以便指出所要求的操作 指令 寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入 操作码一经译码后 即可向操作控制器发生具体操作 的特定信号 3 程序计数器 PC 为了保证程序能够连续地执行下去 CPU 必须具有某些手段来确定下一条指令的地址 而程序计数器 PC 正是起到这种作用 所以通常又称其为指令计数器 4 地址寄存器 AR 地址寄存器用来保存当前 CPU 所要访问的内存单元的地址 由于在内存和 CPU 之间存在着操作速度 上的差别 所以必须使用地址寄存器来保持地址信息 直到内存读 写操作完成为止 5 累加寄存器 AC 累加寄存器 AC 通常简称为累加器 它的功能是 当运算器的算术 逻辑单元 ALU 执行全部算术和逻辑 运算时 为 ALU 提供一个工作区 例如 在执行一个加法前 先将一个操作数暂时存放在 AC 中 再从 存放中取出另一个操作数 然后同 AC 的内容相加 所得结果送回 AC 中 而 AC 中原有的内容随即被破 坏 顾名思义 累加寄存器用来暂时存放 ALU 运算的结果信息 显然 运算器中至少要有一个累加器寄 存器 由于运算器的结构不同 可采用多个累加寄存器 6 状态寄存器 SR 状态寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试结果建立的各种状态码内容 7 操作控制器 操作控制器的功能 就是根据指令操作码和时序信号 产生各种操作控制信号 以便正确地建立数据 通路 从而完成取指令和执行指令的控制 全国计算机等级考试四级复习纲要一 3 根据设计方法不同 操作控制器可分为组合逻辑型 存储逻辑型 组合逻辑与存储逻辑结合型三种 第一 种称为常规控制器 它是采用组合逻辑技术来实现的 第二种称为微程序控制器 它是采用存储逻辑来实现 的 第三种称为 PLA 控制器 它是吸收前两种的设计思想来实现的 8 时序产生器 CPU 中除了操作控制器外 还必须有时序产生器 因为计算机高速地进行工作 每一动作的时间是非 常严格的 不能有任何差错 时序产生器的作用 就是对各种操作实施时间上的控制 2 控制器的组成 运算器包括 ALU 累加器 数据缓冲寄存器和状态寄存器 而控制器的核心是操作控制器 围绕它的 有程序计数器 PC 指令寄存器 IR 指令译码器 ID 和时序产生器 八 存储器 1 存储器的基本组成及其读写操作 1 存储器的基本组成部分 主存储器由存储体 地址译码电路 驱动电路 读写电路和控制电路等组成 主存储器的主要功能是 存储体 是信息存储的集合体 由某种存储介质按一定结构组成的存储单元的集合 通常是二维阵列组织 是可供 CPU 和计算机其他部件访问的地址空间 地址寄存器 译码电路与驱动器 即寻址系统 将 CPU 确定的地址先送至地址寄存器中 然后根据 译码电路找到应访问的存储单元 在存储与译码器之间的驱动器的功能是减轻译码线驱动负载能力 由于 一条译码线需要与它控制的所有存储单元相联 其负载很大 需要增加驱动器 以译码线连接驱动器的输 入端 由驱动器的输出端控制连接在译码线上的所有存储单元 读写电路与数据寄存器 根据 CPU 的命令 将数据从数据寄存器中写入存储体中特定的存储单元或 将存储体中指定单元的内容读到数据寄存器中 控制电路 接收 CPU 传来的控制命令 经过控制电路一系列的处理 产生一组时序信号控制存储器 的操作 在存储器的组成中 存储体是核心 其余部分是存储的外围线路 不同的存储器都是由这几部分组成 只是在选用不同的存储介质和不同的存取方式时 各部分的结构与工作方式略有变化 2 存储体阵列 计算机存储器中存储的是 0 和 1 的信息 每一个能存取一位二进制并能保持两种状态的元件称 为记忆元件 若干记忆元件组成存储单元 一个存储单元能够存取一个或几个字节的二进制信息 每个存 储单元都有一个地址编号 用以唯一标识存储单元的位置 信息按地址存入指定的存储单元中 按地址从 指定的存储单元中取出 存储单元的集合称为存储体 由于存储体中存储单元的每个二进制位必须并行工 作 因此将存储单元按其地址的顺序组成存储阵列 3 存储器的地址译码系统 CPU 要访问存储单元的地址由地址总线输入到地址寄存器中 地址译码器将地址转换为对应地址线 字线 上的控制信号 以表示选中某一单元 并驱动相应的读写电路 完成对存储单元的读写操作 地址译码为两种方式 一种是单译码方式 仅有一个译码器 译码器输出的每条译码线对应一个存储单 元 如地址位数 N 10 即译码器可以有 2 10 1024 种状态 对应有 1024 条译码线 字线 即 1024 个存储单 元 另外一种是双译码方式 将译码器分成 X 向和 Y 向两个译码器 通过双译码器的相互作用确定存储 单元的地址 设地址长度 n 仍为 10 将其中的前 5 位输入到 X 地址译码器中 译出 X0 到 X31 译码线 分别选择 0 31 行 将后 5 位输入到 Y 地址译码器中译出 Y0 到 Y31 译码线 分别选择 0 31 列 X 向译码器和 Y 向译码器引出的地址线都是 2 5 32 条 若采用 X 向和 Y 向交叉选择 可以选择从存储单元 0 0 至 31 31 共 2 5 2 5 1024 个存储单元地址 即同样可以提供 1024 种状态 而地址线只需要 64 条 比单译码 器节省 93 75 的地址线 4 存储器的读写操作 在 CPU 向存储体发生读操作命令时 首先由 CPU 将相应存储单元的地址码送至地址寄存器中 地址译 码器将地址寄存器中的地址编码译成相应地址线 字线 的高电位 标志指定的存储单元 然后在 CPU 的统一 控制下 由控制电路将读命令转换成读写电路的操作 执行将指定存储单元的内容传送到数据寄存器的操 作 完成了整个存储器读的操作 存储器写的操作与读的操作相类似 不同类型的存储器根据其特点有不同的读写操作控制电路 控制机构 读写电路及地址译码器 但它 们的基本操作原理大同小异 2 RAM 的结构 组织及其应用 半导体存储器有体积小 存取速度快 生产制造易于自动化等特点 其性能价格比远远高于磁芯存储 器 因而得到广泛的应用 半导体存储器的种类很多 就其制造工艺可以分成双极型半导体存储器和金属 氧化物 半导体存储器 简称 MOS 型存储器 MOS 型存储器按其工作状态又可以分为静态和动态两种 动态存储器必须增设恢 复信息的电路 外部线路复杂 但其内部线路简单 集成度高 价格较静态存储器便宜 因此经常用做大 容量的 RAM 静态存储器和动态存储器的主要差别在于 静态存储器存储的信息不会自动消失 而动态存储器存储的 信息需要在再生过程的帮助下才能保持 但无论双极型或 MOS 型存储器 其保持的信息将随电源的撤消 而消失 1 RAM 的组织 半导体 RAM 芯片是在半导体技术和集成电路工艺支持下的产物 一般计算机中使用的 RAM 芯片均 是有自己的存储体阵列 译码电路 读写控制电路和 I O 电路 RAM 的并联 为扩展存储器的字长 可以采用并联存储器芯片的方式实现 RAM 的串联 为扩展存储器的存储单元数量 可以采用多个芯片地址串联的方式解决 地址复用的 RAM 组织 随着大规模集成电路技术的发展 使得一块存储器芯片能够容纳更多的内容 其所需地址线随之增加 为了保持芯片的外部封装不变 一般采用地址复用的技术 采用地址分批送入的结构保证不增加芯片的地 址引脚 2 RAM 的实际应用 由于一个存储器的芯片一般不能满足使用的要求 所以通常将若干个存储器芯片按串联和并联的两种 方式相结合连接 组成一定容量和位数的存储器 如果设计的存储器容量有 x 字 字长为 y 而采用的芯片为 N M 位 要组成满足字长要求的存储器 所需芯片数为 y M 根据容量要求 组成要求容量的 RAM 所需芯片数为 x N y M 3 ROM 的工作原理及其应用 使用时只读出不写入的存储器称为只读存储器 ROM ROM 中的信息一旦写入就不能进行修改 其 信息断电之后也仍然保留 一般用于存放微程序 固定子程序 字母符号阵列等信息 ROM 和 RAM 相比 使用时不需写入 再生和刷新等操作 所以其电路比较简单 但同样有地址译码器 数据读出电路等 制 作 ROM 的半导体材料有二极管 MOS 电路和双极型晶体管等 因制造工艺和功能不同 一般分为普通 ROM 可编程 ROM PROM 可擦写可编程 ROM EPROM 和电可擦写可编程 ROM EEPROM 等 1 ROM 的工作原理 一般的 ROM 使用掩模式 ROM 这类 ROM 由生产厂家做成 用户不能加以修改 掩模 ROM 的特点是其存储内容出厂时由生产厂家一次制成 用户不能对其内容进行修改 而依赖于 生产厂家 这种 RAM 适用于定型批量制作 在实际使用过程中 部分用户希望自己根据需要填写 ROM 的内容 因此产生可编程 ROM PROM PROM 与掩模 ROM 的主要区别是 PROM 在出厂时其内容均为 0 或 1 用户在使用前按照自己的需要利用工具将编码写入 PROM 中 一次写入不可修改 PROM 的使 用相当于由用户 RAM 生产中的最后一道工序 向 RAM 中写入编码 其余同掩模 RAM 的使用完全相 同 2 EPROM 和 EEPROM 的工作原理 为了适应程序调试的要求 针对一般 PROM 的不可修改特性 设计出可以多次擦写的可编程 ROM EPROM 其特点是可以根据用户的要求用工具擦去 RAM 中原有的存储内容 重新写入新的编码 擦除和写入可以根据用户的要求用工具擦去 RAM 中原有的存储内容 重新写入新的编码 擦除和写入可 以多次进行 其信息的内容同样不会因断电而丢失 最常见的 E PROM 是 UVEPROM 其存储元件常用 浮置栅型 MOS 管组成 出厂时全部置 0 或 1 由用户通过高压脉冲写入信息 擦写时通过其外部的 一个石英玻璃窗 利用紫外线的照射 使浮栅上的电荷获得高能而泄漏 恢复原有的全 0 或 1 状态 允许用户重新写入信息 平时窗口上必须贴有不透明胶纸 以防光线进入而造成信息流失 另有一种 EPROM 是通过电气方法擦除其中的已有内容 也称为电可擦写编程 ROM EEPROM 4 外存储器的工作原理 外存储器是指那些不能被 CPU 直接访问的 读取速度较内存慢 容量比内存大 通常用来存放不常 用的程序和数据的存储器 磁带 磁盘存储器是现今最常用的外存 因其利用磁表面介质存储数据 通常 也称为磁表面存储器 而光盘是外存发展的方向 有必要了解它们的原理和应用 1 磁盘存储器 磁盘存储器具有容量大 存取速度高 相对其他种类外存储器 的特点 因而在各种类型的计算机中普 遍被用做主要的外存储器 磁盘存储器避免了磁带存储的缺点 磁盘存储器将磁性材料涂粘在以某种材料 为主的盘形圆片上 用若干封闭的圆形磁道代替了磁带的长形磁道 使用时 通过磁盘面的高速旋转代替 磁带的直线运动 减少寻找特定位置的时间 磁盘存储器由磁盘 磁头 定位系统和传动系统等部分组成 一般也将这些部件统称为磁盘驱动器 根据盘片的基本组成材料将磁盘分为硬盘和软盘两种 所谓硬盘是指由金属材料制成一定厚度的盘片基 体 这些盘片一般组合成盘片组构成硬盘驱动器的存储主体 软盘和硬盘盘片记录信息的方式相同 都是将每个盘面由外向内分成若干个磁道 每个磁道也划分为 多个扇区 信息以扇区为单位存储 扇区是磁盘存放信息的最小物理单位 扇区包括头空 序标 数据区 检验字段和尾空等几个部分 通常对磁盘进行的所谓格式化操作就是在磁盘上划分磁道 扇区及扇区内各特定区域 刚出厂的磁盘上没 有这些划分 所以必须在格式化后才能使用 磁盘区域的划分随计算机系统而不同 其存储容量也有较大 的差别 但可以通过查阅计算机系统相应的说明掌握磁盘容量的数据 计算一个磁盘容量的公式是 磁盘存储容量 盘面数 每盘面磁道数 每磁道扇区数 每扇区存储容量 2 光盘存储器 所谓光盘 CD 是利用光学原理读写信息的存储器 由于光盘的容量大 速度较快 不易受干扰等特点 光盘的应用愈来愈广泛 光盘系统一般是由光学 电气和机械部件组成 从结构上看光盘存储器同磁盘存储基本相同 两者均有存储信息的盘片 机械驱动部件 定位部件和 读写机构 不同的是后者利用磁性原理存储信息 利用磁头存取信息 而前者是利用光学原理存储信息并用 光学读写头来存取这些信息 光盘本身是靠盘面上一些能够影响光线反射的表面特征存储信息 例如现在常用的只读光盘 CD ROM 上利用光盘表面的凹凸不平表示 0 和 1 以 CD ROM 为例 读取数据时 由机械驱动部件和定位部 件负责确定读取的位置 激光器发出激光经光学线路至聚焦透镜射向光盘表面 表面的凹凸不平造成反射 光的变化 利用数据光检测器将这些变化转换为数据 0 和 1 的电信号传输到数据输出端 整个读取 工作完成 其他类型光盘的写入过程大体与此相同 唯一的差别是数据自数据输入端传来 一般将光盘存储器分为只读式 readonly 一次写入式 writeonce 和可擦式 erasable 或可逆式 reversible 三种 只读式光盘利用材料表面的凹凸不平的特征记录信息 在出厂前由生产厂家将有关信息存放到光盘 上 对于一次写入式光盘 用户可以利用会聚的激光束在光盘表面照射使材料发生永久性变化而记录信息 这种光盘现已普遍用于多媒体系统 可擦式光盘利用激光在磁性材料上或相变材料上实现信息的存储和擦 除 光盘存储器的记录密度高 存储容量大 一片 5 25 英寸大小的一次写入式光盘可以存储 680MB 的信 息 其容量远远大于外形同样大小的软磁盘 光盘信息的保存时间也比磁盘的长 目前影响光盘普遍应用 的主要原因是光盘存储器的读写速度慢和光盘驱动器的成本高 随着技术的进步 以上问题是可以解决的 因此光盘存储器有广泛的应用前景 5 虚拟存储的概念 作用和工作过程 1 虚拟存储的概念 作用 一般将由主存和部分辅存组成的存储结构称为虚拟存储器 其对应的存储地址称为虚拟地址 逻辑地 址 其对应的存储容量称为虚拟容量 将实际主存地址称为物理地址或实地址 主存的容量称为实存容量 当用虚拟地址访问主存时 系统首先查看所用虚拟地址对应的单元内容是否已装入主存 如果在主存 中 可以通过辅助软 硬件自动把虚拟地址变成主存的物理地址后 对主存相应单元进行访问 如果不在 主存中 通过辅助的软 硬件将虚拟地址对应的内容调入主存中 然后再进行访问 因此 对虚拟存储器 的每次访问都必须进行虚实地址的变换 全国计算机等级考试四级复习纲要一 4 虚拟存储器的作用是扩大整个主存的容量 允许在程序中使用比主存容量大得多的虚拟存储器 同时可以 减轻人们编程中对程度进行分块的苦恼 从而提高软件开发的效率 虚拟存储器是实现利用小容量的主存 运行大规模的程序的一种有效的办法 尽管实现虚拟存储要增加一些额外的投资和软件开销 虚拟存储技 术在各种计算机系统中仍得到了广泛的应用 虚拟存储器必须建立在主存 辅存结构上 但一般的主存 辅 存系统并不一定是虚拟存储器 虚拟存储器与一般的主存 辅存系统的本质区别是 虚拟存储器允许人们使用比主存容量大得多的地址空间来访问主存 非虚拟存储器最多只允许人们 使用主存的整个空间 一般只允许使用操作系统分配的主存中的某一部分空间 虚拟存储器每次访问主存时必须进行虚 实地址的变换 而非虚拟存储系统则不必变换 2 虚拟存储的工作原理 虚拟存储技术 实际上是将编写程序时所用的虚拟地址 逻辑地址 转换成较小的物理地址 在程序运 行时随时进行这种变换 为了便于主存与辅存之间信息的交换 虚拟存储器一般采用二维或三维的复合地 址格式 采用二维地址格式时 将整个存储器划分为若干页 或段 每个页 或段 又包括若干存储单元 采 用三维地址格式时将整个存储空间分为若干段 每段分为若干页 每页又包括若干存储单元 根据地址格 式不同 虚拟存储器分为 页式虚拟存储器 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器 在虚拟存储器中逻辑地址与物理地址之间的对应称为地址映象 通常有三种地址映象的方式 全相联映 象 直接映象和组相联映象 全相联映象 任一逻辑页能映象到实际主存的任意页面位置称为全相联映象 通常利用页表法进行地址间的变换 直接映象 每个逻辑页只能映象到一个特定页面的方式称为直接映象 如主存实际有 2P页 虚拟存储器的逻辑 空间有 2P页 则将逻辑空间按物理空间大小分为 2P P 块 块内各页只能映象到主存的相应页中 即所 有各块的第 0 页对应主存的第 0 页 各块的第 n 页对应主存的第 n 页 若程序需要轮流使用第 i 块和第 j 块的第 m 页 只能将两页交替在主存和辅存之间调入调出 形成存储页面的 抖动 组相联映象 组相联映象方法是先按直接映象方法将虚拟存储空间 逻辑空间 分成若干块 在主存和 逻辑空间中的各块内划分为若干组 每个组间按直接映象方法控制 可以这样理解 如果将组相联映象方 法中的组按直接映象方法的页来看待 组相联方法与直接映象方法相同 逻辑空间各组内的页只能与对应 的物理空间组相联 但在组内各页与物理空间的页面之间采用全相联映象方法处理 因此 可以认为组相 联映象是全相联映象和直接映象方法的结合 6 缓冲技术使用 缓冲技术就是为缓解慢速设备对整个计算机系统速度的影响 在计算机的某些部件中划定一块区域 模拟慢速设备的操作 将对慢速设备的操作先存放在此区域中 其他部件完成这一操作后可以继续其他工 作 而慢速设备可以用自己的速度逐渐完成相应的操作