關(guān)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其運(yùn)算基礎(chǔ)知識(shí)淺析

曾顯偉

[摘 要]計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛進(jìn)發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其操作過(guò)程的運(yùn)算程序研究已成為一個(gè)熱門話題，本文主要對(duì)計(jì)算機(jī)主要部件及其功能的基礎(chǔ)知識(shí)、控制系統(tǒng)的工作原理和主要功能作了簡(jiǎn)單介紹。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)；控制系統(tǒng)；運(yùn)算

一、計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 自1946年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)以來(lái)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)都已發(fā)生驚人的變化。但就其基本組成而言仍未擺脫馮·諾伊曼型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。即一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。

行一條指令程序計(jì)數(shù)器加“1”以形成下條指令的地址該加“1”計(jì)數(shù)的功能有的機(jī)器是PC本身具有的也有的機(jī)器是借用運(yùn)算器完成的二是在某些條件下需要改變程序執(zhí)行的順序這常由轉(zhuǎn)移類指令形成轉(zhuǎn)移地址送到PC中作為下條指令的地址。

二、控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)組成部分。硬件是所有軟件運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)軟件能充分發(fā)揮硬件潛能和擴(kuò)充硬件功能完成各種系統(tǒng)及應(yīng)用任務(wù)兩者互相促進(jìn)、相輔相成、缺一不可。圖1-4給出了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件層次結(jié)構(gòu)。其中每層各具有一組功能并提供相應(yīng)的接口接口對(duì)層內(nèi)掩蓋了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)對(duì)層外提供了使用約定。 硬件層提供了基本的可計(jì)算性資源包括處理器、寄存器、存儲(chǔ)器以及可被使用的各種I/O設(shè)施和設(shè)備是控制系統(tǒng)和上層軟件賴以工作的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)層對(duì)計(jì)算機(jī)硬件做首次擴(kuò)充和改造主要完成資源的調(diào)度和分配信息的存取和保護(hù)并發(fā)活動(dòng)的協(xié)調(diào)和控制等許多工作。

系統(tǒng)程序?qū)拥墓ぷ骰A(chǔ)建立在控制系統(tǒng)改造和擴(kuò)充過(guò)的機(jī)器上利用控制系統(tǒng)提供的擴(kuò)展指令集可以較容易地實(shí)現(xiàn)各種各樣的語(yǔ)言處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)程序。應(yīng)用程序?qū)咏鉀Q用戶不同的應(yīng)用問(wèn)題應(yīng)用程序開發(fā)者借助程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)應(yīng)用問(wèn)題開發(fā)各種應(yīng)用程序。而最終用戶則通過(guò)應(yīng)用程序與計(jì)算機(jī)交互來(lái)解決具體應(yīng)用問(wèn)題。本節(jié)重點(diǎn)介紹控制系統(tǒng)的作用與功能。

三、控制系統(tǒng)的定義與作用

盡管控制系統(tǒng)尚未有一個(gè)被普遍接受的定義但普遍認(rèn)為控制系統(tǒng)是管理軟硬件資源、控制程序執(zhí)行改善人機(jī)界面、合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。

1.控制系統(tǒng)的重要作用。

（1）通過(guò)資源管理提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率 控制系統(tǒng)還是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能分配給用戶使用的各種硬件和軟件設(shè)施總稱為資源。資源包括兩大類硬件資源和信息資源。其中硬件資源分為處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等I/O設(shè)備又分為輸入型設(shè)備、輸出型設(shè)備和存儲(chǔ)型設(shè)備信息資源則分為程序和數(shù)據(jù)等?？刂葡到y(tǒng)的重要任務(wù)之一是有序地管理計(jì)算機(jī)中的硬件、軟件資源跟蹤資源使用狀況滿足用戶對(duì)資源的需求協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突為用戶提供簡(jiǎn)單、有效的資源使用方法最大限度地實(shí)現(xiàn)各類資源的共享提高資源利用率從而使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率有很大提高。

（2）改善人機(jī)界面向用戶提供友好的工作環(huán)境 控制系統(tǒng)層緊靠著計(jì)算機(jī)硬件層并在其基礎(chǔ)上提供了許多新的設(shè)施和能力從而使得用戶能夠方便、可靠、安全、高效地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織計(jì)算機(jī)的工作流程協(xié)調(diào)各個(gè)部件有效工作為用戶提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)改造和擴(kuò)充過(guò)的計(jì)算機(jī)不但功能更強(qiáng)使用也更加方便用戶可以直接調(diào)用控制系統(tǒng)提供的許多功能而無(wú)需了解許多軟硬件的使用細(xì)節(jié)。

2.控制系統(tǒng)的功能及特征

控制系統(tǒng)的主要特性有三條并發(fā)性、共享性和異步性。

（1）并發(fā)性concurrence 指兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)行程序在同一時(shí)間間隔段內(nèi)同時(shí)執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)并發(fā)性是它的重要特征它應(yīng)該具有處理多個(gè)同時(shí)執(zhí)行的程序的能力。發(fā)揮并發(fā)性能夠消除計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中部件和部件之間的相互等待有效地改善了系統(tǒng)資源的利用率改進(jìn)了系統(tǒng)的吞吐率提高了系統(tǒng)效率。例如一個(gè)程序等待I/O時(shí)就出讓CPU而調(diào)度另一個(gè)運(yùn)行程序占有CPU執(zhí)行。這樣在程序等待I/O時(shí)CPU便不會(huì)空閑這就是并發(fā) 技術(shù)。

（2）共享性sharing 指控制系統(tǒng)中的資源包括硬件資源和信息資源可被多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程所使用。出于經(jīng)濟(jì)上的考慮一次性向每個(gè)用戶程序分別提供它所需的全部資源不但是浪費(fèi)的有時(shí)也是不可能的?，F(xiàn)實(shí)的方法是讓多個(gè)用戶程序共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源因而必然會(huì)產(chǎn)生共享資源的需要。 共享性和并發(fā)性是控制系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征它們互相依存。一方面資源的共享是因?yàn)檫\(yùn)行程序的并發(fā)執(zhí)行而引起的若系統(tǒng)不允許運(yùn)行程序并發(fā)執(zhí)行自然也就不存在資源共享問(wèn)題。另一方面若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效的管理必然會(huì)影響運(yùn)行程序的并發(fā)執(zhí)行甚至運(yùn)行程序無(wú)法并發(fā)執(zhí)行控制系統(tǒng)也就失去了并發(fā)性導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率低下。

（3）異步性asynchronism 或稱隨機(jī)性。在多道程序環(huán)境中允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行由于資源有限而進(jìn)程眾多多數(shù)情況下進(jìn)程的執(zhí)行不是一直到底而是“走走停?！薄＠缫粋€(gè)進(jìn)程在CPU上運(yùn)行一段時(shí)間后由于等待資源滿足或事件發(fā)生它被暫停執(zhí)行CPU轉(zhuǎn)讓給另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。系統(tǒng)中的進(jìn)程何時(shí)執(zhí)行何時(shí)暫停以什么樣的速度向前推進(jìn)進(jìn)程總共要多少時(shí)間執(zhí)行才能完成這些都是不可預(yù)知的或者說(shuō)該進(jìn)程是以異步方式運(yùn)行的。異步性給系統(tǒng)帶來(lái)了潛在的危險(xiǎn)有可能導(dǎo)致與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤。但只要運(yùn)行環(huán)境相同控制系統(tǒng)必須保證多次運(yùn)行作業(yè)都會(huì)獲得完全相同的結(jié)果。

3.控制系統(tǒng)的功能

資源管理是控制系統(tǒng)的一項(xiàng)主要任務(wù)而控制程序執(zhí)行、擴(kuò)充及其功能、屏蔽使用細(xì)節(jié)、方便用戶使用、組織合理工作流程、改善人機(jī)界面等都可以從資源管理的角度去理解。

四、計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算系統(tǒng)

運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件運(yùn)算數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式給出。它可從存儲(chǔ)器取出或來(lái)自輸入設(shè)備運(yùn)算結(jié)果或?qū)懭氪鎯?chǔ)器或通過(guò)輸出設(shè)備輸出。

控制器協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常工作。主要包括指令寄存器、指令譯碼及時(shí)序控制等部件。 運(yùn)算器與控制器一般又稱為中央處理器CPUCentral Processing Unit是計(jì)算機(jī)的核心部件。 存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)和程序的部件通過(guò)地址線和數(shù)據(jù)線與其他部件相連。 輸入/輸出設(shè)備包括各類輸入/輸出設(shè)備及相應(yīng)的輸入/輸出接口。

運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)中用于信息加工的部件。它能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算按算術(shù)規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算如加、減、乘、除及它們的復(fù)合運(yùn)算邏輯運(yùn)算一般泛指非算術(shù)性運(yùn)算如比較、移位、邏輯加、邏輯乘、邏輯取反及異或操作等。 運(yùn)算器通常由算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU和一些寄存器組成。ALU是具體完成算術(shù)邏輯運(yùn)算的部件寄存器主要用于存放操作數(shù)、結(jié)果及操作數(shù)地址寄存器除了存放參加運(yùn)算的操作數(shù)外在連續(xù)運(yùn)算中還用于存放中間結(jié)果和最終結(jié)果。寄存器的數(shù)據(jù)一般是從存儲(chǔ)器中取得累加器的最后結(jié)果也應(yīng)存放到存儲(chǔ)器中?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器中有多個(gè)寄存器如8個(gè)、16個(gè)、32個(gè)或者更多構(gòu)成一個(gè)通用寄存器組以減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器的次數(shù)提高運(yùn)算速度。

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