C程序设计笔记---计算机的工作原理

在网易上报了西北工业大学C语言程序设计的公开课，在此记录下学习的笔记。

一、计算机系统的组成：

引入：CPU计算机中最重要的一个部件，又称中央处理器：（Central Processing Unit），由控制器和运算器组成；

inter 5 CPU

【1】、计算机由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输出设备、输入设备；

计算机的组成

【2】、根据冯·诺依曼理论，采用“存储程序”思想，程序和数据均以二进制表示，以相同的方式存放在存储器中，按地址访问。

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计算机在工作时，实际上在计算机系统中是两种信息在流动，一种是数据流，一种是控制流；

个人理解：数据流就是数据的流动，控制流及时控制数据的流动，控制流中没有数据，数据流中有数据。

（1）、运算器：

     又称算术逻辑单元ALU（arithmetic logic unit）,主要功能是进行算术运算和逻辑运算。运算器是由一个累加器、几个寄存器和一些控制电路组成。累加器接收寄存器传过来的数据进行运算，并将结果传给寄存器。运算器的数据来自于内存，从内存中接收到数据后经过计算处理后，在返回给存储器或者暂时寄存在运算器中，所以在运算器中的数据在程序结束后就被释放掉了，如果我们在程序中想把一些数据永久的保存下来，就需要保存到存储器（硬盘）中，计算机对内存的读写操作是在控制器的控制下完成的。

计算机的算术运算：只有加减乘除等简单的运算；

计算机的逻辑运算：逻辑判断，关系比较，与或非等运算；

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（2）、控制器：

     控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、时序控制电路等组成，指挥计算机的各个部件按照计算机指令的要求协调工作；

控制器的工作流程：

①   计算机工作时从程序计数器中取出下一条执行指令的存储地址，

②   从程序计数器中取出地址，此次得到操作指令，并存放在指令寄存器中，

③   然后再通过指令译码器将指令中的操作码通过编译生成相应的控制信号，

④   由控制部件将时序控制电路中的产生的时钟脉冲和控制信号组合起来，这样控制每个相应的控制部件完成相应的操作，

⑤   计算机在控制部件的控制下能够连续的、自动的按照编辑好的程序完成一系列制定的操作。

我的个人理解如下图，如有错误请指出：

控制器的工作流程

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（3）、存储器：

   计算机用来用来存放数据的记忆装置，通常分为内存储器和外存储器。

每个内存单元都有唯一的编码，为内存地址。当计算机要从某个内存单元存储数据时，首先要提供内存地址信息，进而查找相应的内存单元才能读取到数据。

打个比方，内存就相当于办公楼，内存单元相当于公司办公室，那么如何如何准确的找到办公室房间呢？给每个办公室房间都标上唯一的号码即可，这样即使一个对整栋大楼不熟悉的人也能很快的找到相应的办公室。

数据在内存中的存储

   内存储器：简称内存，用来存放执行的程序及其数据，内存划分为很多单元，称为“内存单元”，存放着一定数量的二进制数据。

  外存储器：硬盘、光盘、U盘等等。

 存储器最多可存放二进制数据的总和称为存储容量，基本单位是字节（byte），每个字节包含8个二进制位（bit），常用KB、MB、GB、TB来表示存储容量的大小，它们之间的转换为：

1TB = 1024GB；

1GB = 1024MB；

1MB = 1024KB；

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（4）、输出设备：

用来接收用户输入的程序和数据信息并将其转换为计算机可识别处理的二进制数据存放到内存中。

如键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、手写板等；

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（5）、输入设备：

把用户输入的数据和操作经过计算机的处理后以人类能够识别的形式展现给人类；

如显示器、打印机、绘图仪等；

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计算机的运算器和控制器是必须的，存储器大小会根据用户的需求和成本等一些原因改变存储容量的大小。输入输出设备会根据使用特征不同而不同，甚至在有些方面是没有这些设备的。

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【3】、计算机指令：

计算机执行某种操作的机器命令，可以被计算机硬件直接识别和执行，通常用二进制代码表示，由操作码和操作数两部分组成；一台计算机所有指令的集合称为指令系统，不同类型的计算机，指令烈性和数量不同；

计算机指令系统所具有的功能：

①数据传送指令

   .将数据在CPU和内存之间进行传送；

②数据处理指令

   .对数据进行算术、逻辑、比较、位运算；

③程序控制指令

  .控制程序中的指令的执行操作，例如跳转跳转、五条件跳转、调用、返回停机、中断、异常处理等；

④输入输出指令

.实现外部设备与主机之间的数据传输； 

⑤硬件管理指令

.对计算机硬件管理；

⑥其他指令

 .特殊功能处理，例如多媒体、DSP、通信、图形渲染等。

【4】、计算机的工作原理

   计算机的工作过程：从内存中指令存储地址中取出指令，传给指令寄存器，然后计算机在指令寄存器中对指令进行分析，由指令译码器对操作码进行操作译码，转换成相应的控制信号，最终让相应的部件进行相应的操作。

【5】、计算机程序

  指完成一定功能的指令的有序集合。程序是由多个指令和步骤组成。

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如有错误的地方，请指出。

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