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。
计算机系统基础 c语言视角
计算机系统基础 c语言视角计算机系统基础从C语言视角计算机系统基础是计算机科学与技术的一门重要课程，它涉及计算机硬件和软件的基本原理与概念。
C语言作为一种广泛应用于系统编程的高级程序设计语言，对于学习计算机系统基础具有重要的视角。
本文将从C语言的角度出发，探讨计算机系统基础的相关内容。
一、C语言的基本特性C语言是一种面向过程的编程语言，其特点是简洁、高效、灵活。
它提供了丰富的数据类型和操作符，并且具有良好的可移植性。
C 语言的程序结构由函数组成，通过函数的调用和返回来完成程序的执行。
这种结构与计算机系统中的指令执行和函数调用非常契合，因此C语言在系统编程中得到了广泛的应用。
二、C语言的内存管理在计算机系统中，内存管理是一个重要的概念。
C语言提供了灵活的内存管理机制，程序员可以手动申请和释放内存空间。
通过使用malloc函数申请内存，程序员可以根据需要动态地分配内存空间。
而通过free函数释放内存，可以避免内存泄漏的问题。
这种内存管理方式为程序的运行效率和资源利用提供了支持。
三、C语言的指针操作指针是C语言中的重要概念，它提供了直接访问内存地址的能力。
指针的使用可以实现对内存中数据的直接操作，提高程序的执行效率。
通过指针操作，可以实现数据的传递和共享，进一步优化系统的性能。
指针还可以与数组和结构体等数据结构进行灵活的组合，实现更复杂的数据操作。
四、C语言的位操作位操作是计算机系统中常用的一种操作方式，它可以对数据的位进行精确的控制。
C语言提供了位操作的运算符，可以对数据的每一位进行与、或、异或等操作。
通过位操作，可以实现对数据的压缩和解压缩，提高存储空间的利用率。
位操作还可以实现数据的快速查找和处理，提高系统的性能。
五、C语言的文件操作文件操作是计算机系统中必不可少的一部分。
C语言提供了丰富的文件操作函数，可以对文件进行读写和管理。
通过文件操作，可以实现数据的永久存储和共享。
C语言的文件操作机制为系统的文件管理提供了良好的支持。
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；
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。
ouc 计算机系统基础
ouc 计算机系统基础计算机系统基础是计算机科学与技术专业的重要课程之一，它为学生打下了扎实的计算机科学基础。
本文将从人类的视角出发，以自然流畅的语言描述计算机系统基础的相关内容。
计算机系统基础课程主要介绍计算机系统的组成和运行原理，包括硬件、操作系统、网络和软件等方面。
首先，我们来看看计算机的硬件部分。
计算机硬件主要包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、输入输出设备等。
中央处理器是计算机的大脑，负责执行指令和进行计算。
内存是计算机的临时存储空间，用于存储数据和程序。
硬盘则是计算机的永久存储空间，用于存储操作系统和应用程序。
输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于与计算机进行交互。
在计算机系统中，操作系统扮演着重要的角色。
操作系统是计算机系统的核心软件，它管理计算机的资源和控制程序的执行。
操作系统提供了用户界面，使用户可以方便地使用计算机。
同时，操作系统还负责分配计算机的资源，如内存、处理器和硬盘等，以提高计算机的性能。
常见的操作系统有Windows、Linux和Mac OS等。
除了硬件和操作系统，网络也是计算机系统中的重要组成部分。
网络使得计算机之间可以进行数据传输和通信。
计算机可以通过局域网或互联网与其他计算机进行数据交换，实现信息共享和远程访问。
网络协议是实现计算机之间通信的规则和约定，常见的网络协议有TCP/IP协议。
在计算机系统基础课程中，学生还会学习到软件开发的基本知识。
软件是运行在计算机上的程序，它可以实现各种功能。
软件开发包括需求分析、设计、编码和测试等过程，其中编码是将设计好的算法和逻辑转化为具体的程序代码。
编程语言是实现程序编写的工具，常见的编程语言有C、C++、Java和Python等。
计算机系统基础课程是计算机科学与技术专业的重要基础课程，它为学生提供了深入了解计算机系统组成和运行原理的机会。
通过学习这门课程，学生可以了解计算机硬件、操作系统、网络和软件等方面的知识，为以后的学习和工作打下坚实的基础。
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2019年12月19日星期
3Байду номын сангаас
四
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 • ……
2019年12月19日星期
4
四
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
7
四
多级层次结构（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）
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
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
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
2019年12月19日星期
18
四
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
计算机系统的多级层次结构图
应用软件
系统软件 软件
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
2019年12月19日星期
– 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
2019年12月19日星期
5
四
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。
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
2019年12月19日星期
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四
计算机系统的软硬件成本变化
成本
软件
2019年12月19日星期 四
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：
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）
在所有系统结构的特性中，指令系统的外特 性是最关键的
2019年12月19日星期
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四
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
• 定义与理解 • 三者的相互关系
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四
计算机系统结构的定义 System Architecture
• 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。
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四
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
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四
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。
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
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1
四
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
– 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
– 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
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四
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
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
类
• 了解软件对计算机系统结构发展的影响
2019年12月19日星期
2
四
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