计算机的基本概念

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1、11第1章绪论第1章绪论1.1计算机的基本概念从第一台通用电子计算机的问世（1946年）到现在已经过去半个多世纪了。这半个多世纪以来，计算机对人类社会产生了深刻的影响，并逐渐改变了人们的生活方式。随着计算机的日益普及和广泛应用，越来越多的人希望了解并学习计算机知识。在这一章里将要介绍计算机的基本概念和计算机组成原理等内容。1.1.1为什么需要计算机自工业革命以来，人们发明了许多机器来减轻人类的体力劳动。随着社会的发展进步，人们自然也需要一种能够减轻脑力劳动的快速计算工具。比如，手工计算求解3阶线性方程组是一件烦琐的工作。如果手工计算求解100阶线性方程组，人们就会惊

2、叹，其计算工作量如此巨大，简直无法完成。高阶线性方程组的求解在许多科学研究和工程设计领域中都有广泛的应用。如果没有一种快速计算工具，这些科学研究和工程设计都将无法进行下去。由于计算机可以帮助人们完成一些复杂的计算，大大减轻了人们的脑力劳动，因此获得了“电脑”的美称。这一名称容易使人产生误解，以为电脑也像人脑那样工作。至少到目前为止，人类对人脑的工作机理了解甚少，当然就谈不上研制出具有人脑功能的“电脑”。事实上，计算机在进行计算之前，首先需要给出算法，然后将算法编制成程序，再翻译成机器可以识别的机器指令（通常由编译器完成）。有了机器指令以后，计算机才能在控制器的控制下

3、快速、高效、自动地进行计算工作。因此，计算机可以理解为按照人们给定的程序快速、高效、自动工作的机器。计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路的发展阶段，并且在计算机的设计过程中广泛地采用了数字技术，这样的计算机称为数字计算机。本书研究的就是数字计算机的组成原理。1.1.2软件的概念为了能够理解软件的概念，下面先通过一个简单的例子来看一下采用计算机完成计算的完整过程。例1.1求p的值，精确到10–6。11第1章绪论解：第一步，确定算法（algorithm）。根据微积分的基本知识，有如下的公式：（1.1）令x=1，（1.1）式的右端级数是交错级数，满

4、足收敛性条件。于是得到：（1.2）（1.2）式的一般项是：（1.3）根据交错级数理论，当（1.2）式的余项满足（1.4）时，（1.2）式的前n项之和可以满足精度要求。第二步，编写计算机程序。计算机程序的编写可以采用多种不同的算法语言，本书中采用大家熟悉的C语言来编写程序。根据（1.2）～（1.4）式，可以写出如下的C语言程序。#includemain(){ints;floatn,t,pi;t=1.0;pi=0.0;n=1.0;s=1;while(fabs(t)>1e-6/4.0){pi=pi+t;n=n+2;s=-s;t=s/n;}pi=pi*4;p

5、rintf("pi=%10.6f",pi);}第三步，编译。第二步得到的程序在普通的计算机上通常不能直接执行，需要经过编译器（compiler）进行编译，以产生具体计算机的机器代码。这一过程完成后，一般会产生一个可执行文件。第四步，运行程序。运行第三步生成的可执行文件，可以得到如下的输出结果：pi=3.141593第五步，结束运行。11第1章绪论上述的第一步是确定算法，这一步目前只能由人来完成。这一步是其余各个步骤的基础，十分重要，是整个程序设计过程的核心与灵魂。但是难度较大，需要深厚的理论功底和广博的专业知识。如果计算机也能够进行这一工作，将会大大加速科学技术

6、的前进步伐。至少到目前为止，这还仅仅是一个理想。科学家们也在不断努力，试图将这一理想变为现实。当然，这是一个十分具有挑战性的课题。第二步编写计算机程序是第一步中确定的算法的具体实现，通常也由人来完成。目前人们都习惯采用高级程序编程语言（high-levelprogramminglanguage）编写程序。第三步编译通常由编译器完成，编译器也是一种计算机程序，它能够将高级语言编写的程序自动转换成目标机的目标指令程序。第四步运行程序才是计算机为解决问题而进行的具体工作。人们利用数字电路能够高速运行的特点而设计的计算机可以在控制器的控制下，按照给定的程序快速、高效、自动、

7、有条不紊地进行工作，从而帮助人们快速求得问题的解答。数字计算机是通过执行人们给出的指令序列来解决问题的机器。指令序列称为程序，它描述如何完成一个确定的任务。每台计算机都只能识别和直接执行有限的简单的基本指令。这些基本指令的功能都很简单，比如两个数相加、检查某数是否等于零、将一些数据从计算机内存的某些单元复制到其他的单元中或传送到寄存器中等。计算机的这些原始指令共同组成了一种可供人和计算机进行交流的语言，称其为机器语言，在数字计算机中它是由0和1组成的二进制代码序列。当然，用机器语言编写程序不方便，难以排除错误，而且十分乏味。正因为如此，人们创造了采用助记符（英文