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

曾顯偉

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

[關(guān)鍵詞]計算機(jī)；控制系統(tǒng)；運(yùn)算

一、計算機(jī)的基礎(chǔ)知識

計算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 自1946年世界上出現(xiàn)第一臺計算機(jī)以來計算機(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·諾伊曼型計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。即一個完整的計算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。

行一條指令程序計數(shù)器加“1”以形成下條指令的地址該加“1”計數(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

計算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個組成部分。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給出了一個計算機(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)的接口接口對層內(nèi)掩蓋了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)對層外提供了使用約定。 硬件層提供了基本的可計算性資源包括處理器、寄存器、存儲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)。控制系統(tǒng)層對計算機(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)各種各樣的語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(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)用問題應(yīng)用程序開發(fā)者借助程序設(shè)計語言來表達(dá)應(yīng)用問題開發(fā)各種應(yīng)用程序。而最終用戶則通過應(yīng)用程序與計算機(jī)交互來解決具體應(yīng)用問題。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、合理組織計算機(jī)工作流程和為用戶使用計算機(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）通過資源管理提高計算機(jī)系統(tǒng)的效率 控制系統(tǒng)還是計算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者。在計算機(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)備和存儲型設(shè)備信息資源則分為程序和數(shù)據(jù)等。控制系統(tǒng)的重要任務(wù)之一是有序地管理計算機(jī)中的硬件、軟件資源跟蹤資源使用狀況滿足用戶對資源的需求協(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)組織計算機(jī)的工作流程協(xié)調(diào)各個部件有效工作為用戶提供一個良好的運(yùn)行環(huán)境。經(jīng)過控制系統(tǒng)改造和擴(kuò)充過的計算機(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 指兩個或兩個以上的運(yùn)行程序在同一時間間隔段內(nèi)同時執(zhí)行。控制系統(tǒng)是一個并發(fā)系統(tǒng)并發(fā)性是它的重要特征它應(yīng)該具有處理多個同時執(zhí)行的程序的能力。發(fā)揮并發(fā)性能夠消除計算機(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。例如一個程序等待I/O時就出讓CPU而調(diào)度另一個運(yùn)行程序占有CPU執(zhí)行。這樣在程序等待I/O時CPU便不會空閑這就是并發(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)的有時也是不可能的。現(xiàn)實(shí)的方法是讓多個用戶程序共用一套計算機(jī)系統(tǒng)的所有資源因而必然會產(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題。另一方面若系統(tǒng)不能對資源共享實(shí)施有效的管理必然會影響運(yùn)行程序的并發(fā)執(zhí)行甚至運(yùn)行程序無法并發(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“走走停停”。例如一個進(jìn)程在CPU上運(yùn)行一段時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)讓給另一個進(jìn)程執(zhí)行。系統(tǒng)中的進(jìn)程何時執(zhí)行何時暫停以什么樣的速度向前推進(jìn)進(jìn)程總共要多少時間執(zhí)行才能完成這些都是不可預(yù)知的或者說該進(jìn)程是以異步方式運(yùn)行的。異步性給系統(tǒng)帶來了潛在的危險有可能導(dǎo)致與時間有關(guān)的錯誤。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。它可從存儲器取出或來自輸入設(shè)備運(yùn)算結(jié)果或?qū)懭氪鎯ζ骰蛲ㄟ^輸出設(shè)備輸出。

控制器協(xié)調(diào)整個計算機(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是計算機(jī)的核心部件。 存儲器存放數(shù)據(jù)和程序的部件通過地址線和數(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)算器是計算機(jī)中用于信息加工的部件。它能對數(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)一般是從存儲器中取得累加器的最后結(jié)果也應(yīng)存放到存儲器中。現(xiàn)代計算機(jī)的運(yùn)算器中有多個寄存器如8個、16個、32個或者更多構(gòu)成一個通用寄存器組以減少訪問存儲器的次數(shù)提高運(yùn)算速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖滿梅 羅蘭娥：電子商務(wù)及其安全技術(shù)問題.湖南科技學(xué)院學(xué)報，2006，27.

[2]豐洪才 管華 陳珂：電子商務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)及其安全性分析.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報 2004，2.

[3]閻慧 王偉：寧宇鵬等編著.防火墻原理與技術(shù)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版杜 2004.