计算机系统设计基础
计算机程序设计基础教程
计算机程序设计基础教程
计算机程序设计是计算机科学领域最基础的技术和知识之一，也是实现计算机应用的基础。
通过计算机程序设计基础教程，可以帮助人们更好地理解和利用计算机的潜力。
计算机程序设计基础教程旨在向读者传授建立良好的编程基础。
它从数据结构开始，然后介绍流程控制，接下来是排序算法，再讲解数据库和语言，最后介绍计算机网络以及其他最新技术。
此外，本教程还囊括大量的编程实践和模拟练习，让读者更好地理解编程技术，并能够一步步掌握实战技术。
计算机程序设计基础教程还涵盖了嵌入式系统、操作系统、信息安全、软件工程等计算机应用领域，从而使读者更好地理解实际应用的开发和使用。
本教程的前半部分介绍了基本的编程技术，包括算法和数据结构、流程控制和程序设计。
其中介绍了C、C++、Java等多种语言的基本
知识，以及一些科学计算方法，以及一些算法和数据结构的应用，这些技术是实现程序设计的基础。
后半部分介绍了高级编程技术，包括操作系统、网络编程、数据库、软件工程、信息安全等领域。
这些内容可以让读者深入学习和使用计算机科学的最新技术，学习编写更高效的程序、建立更安全的信息系统、实现高效的数据处理系统等。
计算机程序设计基础教程是一本从基础知识开始、深入浅出、有系统地介绍计算机程序设计的科普书。
本教程是量身定制的，可以满
足计算机初学者的需求，也可以帮助有经验的程序员更好地理解和使用计算机程序设计的更新技术。
计算机体系结构基础
计算机体系结构基础计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念，它定义了计算机硬件和软件之间的交互方式以及如何组织和设计计算机系统的结构。
本文将探讨计算机体系结构的基础知识，包括指令集体系结构、处理器架构和存储器层次结构。
一、指令集体系结构指令集体系结构（Instruction Set Architecture），简称ISA，是计算机体系结构的基础。
它定义了一组与硬件交互的指令集合，并规定了指令的格式、操作码和寻址方式等。
常见的指令集体系结构包括CISC （复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）。
CISC架构的特点是指令集复杂，提供了丰富的指令集合和多种寻址方式，使得每条指令可以执行多个操作。
而RISC架构则强调指令集的精简性和规范性，将更多的工作转移到编译器层面。
两者的选择取决于需求和设计目标，如应用场景的复杂度和对计算速度和资源利用效率的要求。
二、处理器架构处理器架构（Processor Architecture）决定了计算机的运算能力和效率。
处理器是计算机体系结构的核心部件，其结构和设计方式关系到计算机性能的提升和效能的增加。
传统的处理器架构采用单指令流单数据流（SISD）方式，即每次只能执行一条操作指令和一条数据流，效率有限。
而后来出现的多指令流多数据流（MIMD）方式，则能够同时处理多条指令和数据流，提高了计算能力和效率。
此外，处理器架构还包括流水线结构和超标量结构等。
流水线结构将一条指令的执行过程划分为多个阶段，使得各个阶段可以并行进行，从而提高整体执行效率。
超标量结构则允许多条指令并行执行，更进一步提高了计算速度。
三、存储器层次结构存储器层次结构（Memory Hierarchy）是计算机体系结构中的重要组成部分，用于解决计算机存储器访问速度和容量之间的矛盾。
它按照存取速度和容量的大小将存储器划分为多个层次。
存储器层次结构的基本原理是利用不同层次存储介质的速度和容量差异来平衡。
第1章 计算机系统基础
采用二进制和程序存储
John von Neumann 冯•诺依曼
精品资料
冯·诺依曼计算机结构(jiégòu)注意：其中5-10是个
模型
重复的过程
1
程序+ 数据
10
反 馈 信 号
输入
设备 4
请响
2
求 信
应 信
号 号3
运算器
8
存9
取数
数
（内）存储器
(dìzh ǐ)
7
地
பைடு நூலகம்
指 令
5
址
控制器
操 作 命 令
什么(shén me)是现代计算机？
计算机是一种无须人工干预，能对各种信息进 行存储和快速(kuài sù)处理的电子设备。
现代计算机是电子驱动的，其本质特征是存储 控制，即将事先编好的“程序”（指令和数据） 存入“存储器”中，然后计算机就可以按照程 序步骤自动连续执行。
? 思考：计算器和计算机的区别。
精品资料
4. 主要(zhǔyào)性能指标：
➢ 字长 CPU一次所能处理的数据(shùjù)的二进制位数；CPU字长有8bit，16bit， 32bit，64bit等，目前流行的微机主要采用32bit。
➢ 工作频率
➢ 即CPU每秒所能执行的指令条数，常用主频表示，CPU主频通常以MH （兆赫）和GH（千兆赫）为单位，１MH 指每秒执行１百万条指令。目前 流行的CPU的主频均已达GH 数量级
三大芯片 北桥芯片－决定主板性能高
低(gāodī) 南桥芯片－决定主板功能多
少
精品资料
CPU插座 (chāzuò)
目前CPU均采用Socket插座(chāzuò)，Socket插座 (chāzuò)根据CPU引脚的多少进行编号。
本科专业认证《计算机与程序设计基础》(C语言)教学大纲
《计算机与程序设计基础》课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Computer and Programming课程编号：0812010005学分：2.5总学时：40。
其中，讲授学时24，上机学时16。
适用专业：全校非计算机专业理工科本科生先修课程：无开课学院、系：计通学院计算机应用系一、课程目标《计算机与程序设计基础》课程是新生入校的第一门计算机课程，也是大学本科理工科专业学生必修的公共基础课程。
《计算机与程序设计基础》的主要教学目的是使学生较全面、系统地掌握计算机的基本知识，理解计算机操作系统基础知识、掌握操作系统的基本应用，了解办公自动化系统的概念、基本组成和关键技术，熟练掌握文字处理软件、电子表格软件、演示文稿制作软件的使用方法，掌握C语言的基本语法、编程技术和基本算法，掌握程序设计的基本思想和方法，具备利用计算机求解实际问题的基本能力，能灵活应用C语言进行程序设计，有一定的编程和调试程序的能力。
使学生具有利用计算机分析问题、解决问题的意识与能力，提高学生的计算机素养，为将来应用计算机知识和技能解决专业中的实际问题打下必要的基础。
按照国家提出的课程培养目标、以及开设了本课程的相关专业2017培养方案中的毕业要求，制定本课程学习目标如表1所示：表1 《计算机与程序设计基础》（C语言）课程目标-毕业要求关系表二、课程内容及学时分配本课程内容、建议学时以及知识单元与课程目标支撑关系如表2所示。
表2 《计算机与程序设计基础》（C语言）课程内容及学时分配三、教学方法根据所面向学生的不同特点和专业要求，针对不同的教学内容采用不同的组织方式。
对理论性较强的内容以课堂教学为主；对应用性强的部分精讲多练，加强课内实验和课外自主练习；对较复杂的操作性内容采用任务驱动的案例教学；对知识性方面的内容以学生自学为主，同时让学生充分利用网络资源、教育平台进行启发式、讨论式、研究式的自主学习，在教学中给学生提供多样化的探索空间，鼓励他们进行个性化发展。
逻辑和计算机设计基础
程序设计语言
选择适合的程序设计语言，以便更高效地实现软件功能。
软件开发流程
遵循标准的软件开发流程，如敏捷开发、瀑布模型等，以确保软 件质量和开发效率。
人工智能设计
数据驱动模型
利用大量数据进行模型训练，提高人工智能的准确性和可靠性。
算法优化
能正确性。
数字系统设计
数字系统架构设计
根据系统需求，设计出合理的数字系统架构。
微处理器与微控制器
了解微处理器和微控制器的原理、结构、指 令集以及应用。
嵌入式系统设计
掌握嵌入式系统的基本概念、组成、设计流 程以及应用。
系统级编程语言
掌握C、C、汇编等系统级编程语言，能够 进行系统级编程。
数字信号处理
时序逻辑电路
除了逻辑门外，还包含存储 元件，如触发器，用于存储 状态信息。
数字电路
由逻辑门和存储元件组成的 电路，用于执行算术运算和 逻辑运算。
02 计算机设计基础
计算机组成
中央处理器（CPU）
负责执行计算机程序中的指令，控制 计算机的各个部分协调工作。
存储器（Memory）
用于存储数据和程序，包括随机存取 存储器（RAM）和只读存储器 （ROM）。
输入输出设备（I/O）
用于输入和输出数据，如键盘、鼠标、 显示器等。
操作系统（OS）
控制计算机硬件和软件资源，为用户 提供良好的操作界面。
计算机架构
冯·诺依曼架构
01
由五个部分组成，包括运算器、控制器、存储器、输
入设备和输出设备，是现代计算机的基本架构。
RISC和CISC架构
02 RISC架构强调精简指令集，提高指令执行速度；
自考计算机基础与程序设计第一章
⾃考计算机基础与程序设计第⼀章第⼀章计算机及程序设计基础知识常见考点1.计算机的基本组成2.计算机中数制的转换3.计算机中的编码4.程序设计基础知识重难点串讲⼀、计算机系统组成与⼯作原理计算机的基本结构代表数据流代表控制流（1）冯·诺依曼结构有3条重要的设计思想：①计算机应由运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备5⼤部分组成；②以⼆进制的形式表⽰数据和指令；③程序和数据预先存⼊存储器中，使计算机在⼯作中能⾃动地从存储器中取出程序指令。
（2）计算机的⼯作原理指令：是能被计算机识别并执⾏的⼆进制代码，它规定了计算机能完成的某⼀种操作。
⼀条指令通常由如下两个部分组成：①操作码：它是指明该指令要完成的操作。
②操作数：它指操作对象的内容或者所在的单元格地址。
指令系统：某⼀台计算机所能识别的所有指令的集合。
程序：⼀系列指令的有序集合。
历年试题【单选题】在计算机中,指令通常是由( )A．操作码、操作数组成B．源操作数、⽬标操作数组成C．反码、补码组成D．直接寻址、⽬的寻址组成【答案】A 【解析】该题考查的是指令的组成。
教材中没有相关内容。
⼆、计算机系统组成历年试题【单选题】⼀个完整的计算机系统应该包括( )A．主机和外设 B．主机和操作系统C．硬件系统和软件系统 D．系统软件和应⽤软件【答案】C【解析】该题考查的是⼀个完整的计算机系统的组成。
教材(P2)。
1.中央处理器(CPU)是计算机的核⼼部件，由运算器和控制器构成。
运算器⼜称算术逻辑部件，主要功能是完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。
控制器是整个计算机的指挥中⼼，发出各种控制信号，指挥计算机各部分⼯作。
2.存储器(Memory)⽤来存储程序和数据，存储器可分为两⼤类：内存储器和外存储器（1）内存储器简称内存，可以与CPU直接交换数据，特点是：容量⼩、速度快，但价格贵。
内存⼀般分为ROM和RAM。
ROM：只读存储器，⼀种只能读取数据不能写⼊数据的存储器，断电后，ROM中的信息不会全丢失。
计算机控制系统设计的基本内容
计算机控制系统设计的基本内容
计算机控制系统设计主要包括以下基本内容:
1. 控制理论基础知识：计算机控制系统的设计需要运用控制理论的基础知识，如传递函数、稳定性分析、动态响应分析等。
2. 计算机控制系统的硬件设计：包括控制器、传感器、执行器等硬件设备的设计和选型，需要考虑硬件设备的可靠性、性能、成本和可维护性等因素。
3. 计算机控制系统的软件设计：包括控制系统的算法设计、软件界面设计、数据采集和处理等，需要运用计算机编程语言和软件设计工具进行开发。
4. 计算机控制系统的调试和测试：设计完成后，需要进行系统调试和测试，以确保系统的稳定性、可靠性和性能指标符合要求。
5. 计算机控制系统的应用和优化：在实际应用场景中，需要对计算机控制系统进行优化和调整，以提高控制性能和效率。
以上是计算机控制系统设计的主要基本内容，不同的应用场景和控制需求可能需要针对具体情况进行定制化设计。
计算机系统基础实验报告
计算机系统基础实验报告随着计算机技术的发展，如今计算机系统已成为一门重要学科，它影响着社会各个领域的发展。
计算机系统主要研究软件和硬件的基础支持、操作系统和编程技术、网络技术、安全技术等，并且被广泛应用于各个方面，如机器学习、社交网络、大数据等，是目前经济和社会发展的核心驱动力。
因此，深入地研究计算机系统的基础理论和原理，有助于更好地掌握计算机系统及其应用，加强社会发展的大背景中计算机系统的地位，发挥计算机系统在解决实际问题中的价值。
第二部分：实验目的本次实验旨在深入探索计算机系统的基础原理，加强对计算机系统的理解，学习和熟悉计算机系统的基本架构，以及相关的安全技术。
实验过程中，学习者们将设计、实现、运行相关实验，以便收获信息，反思一般原理，更好地理解安全技术等思想。
第三部分：实验内容通过本次实验，学习者将学习和实践以下内容：（1）计算机系统架构：包括CPU、内存、输入设备、输出设备、存储器、网络技术、操作系统、软件等基础技术的概念、组件的认识和工作原理；（2）深入研究主流系统架构，如PC机系统、Android系统、 Linux 系统等；（3）深入研究计算机系统的软硬件基本原理，如内存管理、安全和存储技术；（4）理解和掌握主流操作系统的基本构造、设计方法和操作原理；（5）掌握基本编程技术，以及网络传输和安全技术；（6）掌握网络通信协议、网络通信安全技术和防火墙技术等。
第四部分：实验仪器本次实验主要使用：（1）计算机硬件：如电脑、网卡、显卡、存储器等；（2）软件：操作系统（如Windows系统、Linux系统等）；（3）调试和测试工具：如hex编辑器、调试软件、系统测试软件等；（4）安全工具：如病毒检测、系统审计、安全审核等；（5）网络设备：如防火墙、路由器等。
第五部分：实验过程本次实验的具体可分为以下几个步骤：（1）计算机系统架构：了解和掌握计算机系统的基本架构，包括CPU、内存、输入设备、输出设备、存储器、网络技术、操作系统、软件等；（2）主流系统架构：深入攻克PC、Android、Linux等主流系统架构，深入了解系统操作和应用原理；（3）系统安全：学习计算机系统安全技术，如存储器管理，安全检查，网络通信协议，防火墙技术等；（4）操作系统主题：掌握操作系统的基本构架、设计方法和运行原理；（5）编程技术：掌握基本编程技术，包括程序设计、算法分析、程序调试等；（6）报告编写：实验完成后，根据实验内容和实验结果，编写实验报告。
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• 了解软件对计算机系统结构发展的影响
2020年2月5日星期三
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什么是计算机？
• 计算机是一种不需要人的直观干预而能自动完 成各种算术和逻辑运算的工具
• 随着计算机科学技术的发展和应用范围的扩大， 计算机已由单一的数值计算，扩展到信息处理、 知识推理等非计算领域
• 说明：
– 随着技术的发展，概念有所变化 – 计算机是工具
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能
进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
2020年2月5日星期三
1
本章学习要求
• 了解计算机系统的多级层次结构
• 掌握系统结构、组成和实现的定义及属 性，会透明性分析
• 掌握计算机系统的设计原理、性能计算 • 掌握计算机系统的分类，特别是Flynn分
2020年2月5日星期三
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计算机系统结构的基本属性
• 一般应包括以下几个方面
– 指令系统、数据表示、操作数的寻址方式 – 寄存器的构成定义、中断机构和例外条件 – 存储体系和管理、I/O结构 – 机器工作状态定义和切换、信息保护
在所有系统结构的特性中，指令系统的外特 性是最关键的
2020年2月5日星期三
– 它不同于数据流程和控制的组织，不同于逻 辑设计以及物理实现方法
2020年2月5日星期三
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定义的理解
• 从两个角度理解
一是计算机系统结构既然是“从程序员的角度所看到 的系统的属性”，那么每一级“机器”都有一个系统结 构，而且它们相互不同
二是将计算机的系统结构定义在传统机器界面（M1） 程序员所看到的计算机的基本属性
或者：一条N+1级指令--〉一串N级指令
例：解释一件事
翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
•解释比翻译费时，但节省存储空间
•翻译为整体行为，可以优化，效率高， 与平台有关
•解释为局部行为，不优化，效率低， 与平台无关
翻译+解释：Java
控制流程的三种实现方法
• 全硬件、软硬件结合、全软件
– 逻辑上等价，物理意义上不等价 – 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占
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计算机组成 Computer Organization
• 研究硬件系统各组成部分的内部构造和相 互联系，以实现机器指令级的各种功能和
特性，目标是用最合理地方式将各种设备
和部件连接为计算机，以达到最优的性价 比，从而实现所确定的系统结构。
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1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
计算机系统的多级层次结构图
应用软件
系统软件 软件
例：英语翻译
计算机系统中的翻译功能常由应用程序 包、编译程序、汇编程序等软件完成。
解 释 （Interpretation ）：在 低 一级 机 器级上用它的一串语句或指令来仿真高 一级机器上的一条语句或指令的功能， 通过对高一级机器语言程序中的每条语 句或指令逐条解释来实现的技术
解释过程中不生成中间程序（节省了存 储空间）
由硬件固件实现——高级语言机器 多处理机系统——由真正微处理机实现 4. 理解计算机体系结构的定义
5. 在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不 同的假想机器——自虚拟技术
1.1.2 系统结构、组成与实现
• 定义与理解 • 三者的相互关系
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计算机系统结构的定义 System Architecture
2020年2月5日星期三
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从设计人员看到的层次
• 应用程序级 • 高级语言级 • 汇编语言级 • 操作系统级 • 机器语言级 • 微程序控制级 • 硬联逻辑级
用户 高级语言程序员 汇编语言程序员 操作员 机器语言程序员
逻辑程序员 硬件设计员
2020年2月5日星期三
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翻译(Translation)：先用转换程序将高 一级机器级上的程序整个地变换成低一 级机器级上可运行的等效程序（中间程 序），然后再在低一级机器级上去实现 的技术。
软硬件交界面 硬件 固件
应用语言级 L5虚拟机
翻译（应用程序包） 高级语言机器 L4虚拟机
翻译（编译程序） 汇编语言机器 L3虚拟机
翻译（汇编程序） 操作系统机器 L2虚拟机
部分解释（操作系统）
传统机器级 物理机器
微程序/硬联
解释
直接由硬件执行
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多级层ห้องสมุดไป่ตู้结构（机器—语言）
• M5: 应用语言机器------应用语言（L5） • M4: 高级语言机器------高级语言（L4） • M3: 汇编语言机器------汇编语言（L3） • M2: 操作系统机器------作业控制语言（L2） • M1: 传统机器------------机器语言（L1） • M0: 微程序机器---------微程序语言（L0）
用内存少
– 软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、 占用内存多
• 发展趋势
– 硬件实现的比例越来越高 – 硬件所占的成本越来越低
2020年2月5日星期三
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计算机系统的软硬件成本变化
成本
软件
2020年2月5日星期三
70年代
硬件 年代
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从概念和功能上将计算机系统看成多级层次结构 的优点：
1. 理解软件、硬件、固件的地位和作用 2. 理解各种语言的实质和实现途径 3. 探索虚拟机新的实现方法和新的系统设计
2020年2月5日星期三
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计算机的功能
• 科学计算 • 数据处理（信息处理） • 过程控制 • 人工智能 • ……
2020年2月5日星期三
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1.1 计算机系统的基本概念
• 机器：能存储和执行相应语言程序的算 法和数据结构的执行体
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用