白中英《计算机组成原理》（第5版）笔记和课后习题详解

ooo · 发表于 17-8-9 14:40:11

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内容简介
目录
第1章　计算机系统概论
　1.1　复习笔记
　1.2　课后习题详解
第2章　运算方法和运算器
　2.1　复习笔记
　2.2　课后习题详解
第3章　多层次的存储器
　3.1　复习笔记
　3.2　课后习题详解
第4章　指令系统
　4.1　复习笔记
　4.2　课后习题详解
第5章　中央处理器
　5.1　复习笔记
　5.2　课后习题详解
第6章　总线系统
　6.1　复习笔记
　6.2　课后习题详解
第7章　外存与I/O设备
　7.1　复习笔记
　7.2　课后习题详解
第8章　输入输出系统
　8.1　复习笔记
　8.2　课后习题详解
第9章　并行组织与结构
　9.1　复习笔记
　9.2　课后习题详解
第10章　课程教学实验设计
　10.1　复习笔记
　10.2　课后习题详解
第11章　课程综合设计
　11.1　复习笔记
　11.2　课后习题详解
                                                                                                                                                                                                内容简介

　　我国各大院校一般都把国内外通用的权威教科书作为本科生和研究生学习专业课程的参考教材，这些教材甚至被很多考试（特别是硕士和博士入学考试）和培训项目作为指定参考书。为了帮助读者更好地学习专业课，我们有针对性地编著了一套与国内外教材配套的复习资料，并提供配套的名师讲堂和题库。
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　　2．解析课后习题，提供详尽答案。本书参考大量计算机组成原理相关资料对该教材的重难点课（章）后习题进行了详细的分析和解答，并对相关重要知识点进行了延伸和归纳。
　　要深深牢记：考研不同一般考试，概念题（名词解释）要当作简答题来回答，简答题要当作论述题来解答，而论述题的答案要像是论文，多答不扣分。有的论述题的答案简直就是一份优秀的论文（其实很多考研真题就是选自一篇专题论文），完全需要当作论文来回答！
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内容预览
第1章　计算机系统概论
1.1　复习笔记
一、计算机的分类
电子计算机从总体上来说分为电子模拟计算机和电子数字计算机两大类。
1．电子模拟计算机
模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。
2．电子数字计算机
（1）概述
电子数字计算机是在算盘的基础上发展起来的，用数字来表示数量的大小。它的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。
（2）分类
根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性将数字计算机划分为专用计算机和通用计算机两大类。
①专用计算机
专用机专用计算机是针对某一任务设计的计算机，一般来说，其结构要比通用计算机简单。它是最有效、最经济和最快速的计算机，但是其适应性很差。目前已经出现了多种型号的单片专用机及嵌入式单片机，用于测试或控制，成为计算机应用领域中最热门的产品。
②通用计算机
通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。可分为超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机和多核机六类，它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格的不同。如图l-1所示。

图1-1 多核机、单片机、PC机、服务器、大型机、超级计算机之间的区别
说明：
a．一般来说，超级计算机主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵；
b．单片机是只用一片集成电路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜；
c．介于超级计算机和多核机之间的是大型机、服务器、PC机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减；
d．随着巨大规模集成电路的迅速发展，单片机、多核机等彼此之间的概念发生了变化，单片机可能是多核机的前身。
3．电子模拟计算机与电子数字计算机的区别
电子模拟计算机与电子数字计算机的主要区别如表1-1所示。
表1-1 数字计算机与电子模拟计算机的主要区别

电子模拟计算机由于精度和解题能力都有限，应用范围较小；而电子数字计算机以近似于人类的“思维过程”来进行工作的，故被称作电脑。习惯上称的电子计算机，一般是指现在广泛应用的电子数字计算机。
二、计算机的发展简史
1．计算机的五代变化
世界上第一台电子数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的，这台计算机耗费既大又不完善，但却是科学史上一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。
（1）计算机的发展
从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了如下五代的变化：
①第一代为l946～1957年，电子管计算机
计算机运算速度为每秒几千次至几万次，体积庞大，成本很高，可靠性较低。在此期间，形成了计算机的基本体系，确定了程序设计的基本方法，数据处理机开始得到应用。
②第二代为1958～1964年，晶体管计算机
运算速度提高到几万次至几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低。在此期间，工业控制机开始得到应用。
③第三代为1965～1971年，中小规模集成电路计算机
可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步下降，运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间，机种多样化、生产系列化、使用系统化的小型计算机开始出现。
④第四代为1972～1990年，大规模和超大规模集成电路计算机
可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低，速度提高到每秒1000万次至1亿次，由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现。
⑤第五代为1991年开始的巨大规模集成电路计算机
运算速度提高到每秒10亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。
总之，从1946年计算机诞生以来，大约每隔五年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。而20世纪70年代以来，计算机的生产数量每年以25％的速度递增。在国际超级计算机500强排序中，中国2004年“曙光4000A”位居第10；2009年“星云号”位居第2；2010年“天河l号”位居第1，运算速度达2500万亿次／秒。
（2）摩尔定律
计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。LSI的采用，一块集成电路芯上可以放置1000个元件，VLSI达到每个芯片l万个元件，现在的ULSI芯片超过了100万个元件。摩尔定律是指芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种态势减慢成每18个月翻一番的现象。
2．半导体存储器的发展
半导体存储器的发展分为如下几个阶段：
（1）20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环（磁芯）做成，每个磁芯直径约1mm。这些小磁芯处在计算机内用三条细导线穿过网格板上。每个磁芯的两种磁化方向分别代表一个1和一个0。磁芯存储器速度相当快，读存储器中的一位只需1微秒。但是磁芯存储器价格昂贵，体积大，而且读出是破坏性的。因此必须有读出后立即重写数据的电路，更重要的在于工艺复杂，甚至手工制作。
（2）1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器。一个相当于单个磁芯大小的芯片，包含了256位的存储器。这种芯片是非破坏性的，而且读写速度比磁芯快得多，读出一位只要70纳秒，但是其价格比磁芯要贵。
（3）1974年每位半导体存储器的价格低于磁芯。这以后，存储器的价格持续快速下跌，但存储密度却不断增加。这导致了新的机器比它之前的机器更小、更快、存储容量更大，价格更便宜。
存储器与处理器技术的发展在不到10年里改变了计算机的生命力。虽然庞大昂贵的计算机仍然存在，但计算机已经走向了个人电脑时代。
从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和现在的1GB。其中1K=210，1M=220，1G=230。每一代比前一代存储密度提高4倍，而每位价格和存取时间都在下降。
3．微处理器的发展
与存储器芯片一样，处理器芯片的单元密度也在不断增加。随着时间的推移，每块芯片上的单元个数越来越多，因此构建一个计算机处理器所需的芯片越来越少。其中Intel公司微处理器的演化如表1-1所示。
表1-1Intel 微处理器的演化

Intel微处理器发展的几个标志性阶段：
（1）1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，标志着微处理器的诞生。Intel 4004能完成两个4位数相加，通过重复相加能完成乘法。
（2）l972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。
（3）1974年出现的Intel 8080，这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器，它与8008一样，都是8位微处理器，但8080更快，有更丰富的指令集和更强的寻址能力。
（4）大约同时，16位微机被开发出来，但是直到20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，Intel 8086便是其中之一。这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。Intel于1985年推出了32位微处理器 Intel 80386。
4．计算机的性能指标
（1）描述计算机性能的指标
①吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量；
②响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间间隔，用时间单位来度量；
③利用率；在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示；
④处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64位；
⑤总线宽度；一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数；
⑥存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示；
⑦存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数／秒表示；
⑧主频／时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）称为CPU的主频，度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）；
主频的倒数称为CPU时钟周期（T），T=1／f，度量单位是μs、ns；
⑨CPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间，可用下式计算：
CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期；
⑩CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数，用下式计算：
CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷程序包含的指令条数；
?MIPS：Million InstructionsPer Second的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，用下式计算：
MIPS=指令数÷（程序执行时间×106）；
?FLOPS：Floating-pointOperations Per Second的缩写，表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算：
FLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间（s）
（2）举例
【例1.1】对于一个给定的程序，

表示执行程序中的指令总数，

表示执行该程序所需的CPU时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数），

为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令数，请写出如下四种参数的表达式：
（1）

（2）CPI （3）MIPS （4）

解:（1）

（2）

　

表示i指令在程序中所占比例
（3）

（4）

式中，Ii表示i指令在程序中执行的次数，

表示i指令所需的平均时钟周期数，n为指令种类。
【例1.2】用一台50MHz处理机执行标准测试程序，它包含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如表1-2所示：
表1-2

求有效CPI、MIPS速率、处理机程序执行时间

。
解:

　

表示i指令在程序中的比例

（周期/指令）

（百万条指令/秒）

（s）
三、计算机的硬件
1．硬件组成要素
要了解数字计算机的主要组成和工作原理，可类比打算盘的过程。
（1）问题描述：假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求计算

。
（2）操作步骤：
按以下方法把使用算盘进行解题的过程步骤事先用笔详细地记录在带横格的纸上：
①首先，将横格纸编上序号，每一行占一个序号，如l，2，3，…，n，如表1-3所示。
表1-3 解题步骤和数据记录在横格纸上

②其次，把计算式中给定的四个数a，b，c和z分别写到横格纸的第9，10，11，12行上，每一行只写一个数。
③接着详细列出给定题目的解题步骤，而解题步骤也需要记在横格纸上，每一步也只写一行。第一步写到横格纸的第l行，第二步写到第2行，……依次类推。
④根据表3所列的解题步骤，从第l行开始，一步一步进行计算，最后可得出所要求的结果。
（3）问题分析
在完成

的计算过程中，主要用到以下几点：
①首先，用到了带横格且编有序号的纸，把原始的数据及解题步骤记录在纸上，即纸“存储”了算题的原始信息；
②其次，用到了算盘，它用来对数据进行加、减、乘、除等算术运算；
③用到了笔，利用笔把原始数据和解题步骤记录到纸上，还可把计算结果写出来告诉人；　
④最后，在人的控制下，用到脑和手，按照解题步骤一步一步进行操作，直到完成全部运算。
电子数字计算机进行解题的过程完全和人用算盘解题的情况相似，也必须有运算工具、解题步骤和原始数据的输入与存储、运算结果的输出及整个计算过程的调度控制。而和打算盘不同的是，以上这些部分都是由电子线路和其他设备自动进行的。
在电子计算机里，相当于算盘功能的部件，称之为运算器；相当于纸那样具有“记忆”功能的部件，称之为存储器；相当于笔那样把原始解题信息送到计算机或把运算结果显示出来的设备，称之为输入设备或输出设备；而相当于人的大脑，能够自动控制整个计算过程的，称之为控制器。用双线及箭头表示数据代码传送通路，数字计算机的主要组成部分可以表示为如图1-2所示。

图1-2 数字计算机的主要组成结构
2．运算器
运算器类似于一个由电子线路构成的算盘，其示意图如图1-3所示。

图1-3 运算器结构示意图
运算器的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算。除此以外，还可以进行逻辑运算，因此通常称为ALU（算术逻辑运算部件）。
（1）二进制数概述
考虑到电子器件的特性，计算机中通常采用二进制数，以2为基数来计数，是指“逢二进一”。在二进制数中，只有0和l两个数字。0和1可以用电压的高低、脉冲的有无来表示。这种电压的高低、脉冲的有无，在电子器件中很容易实现，而且设备也最省。
（2）运算规律
二进制数的运算规律非常简单。举例说明如下：
①加法
例如：0+0=0，0+1=1，1+0=l，1+1=10，最后一个加式中等号右边的“1”表示向上一位的进位。
②乘法
例如：0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1。
由于二进制数运算规律简单，在电子器件中比较容易实现，因此，电子数字计算机中广泛采用二进制数。
（3）二进制计算机的位数
二进制数和十进制数一样，在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高。理论上，数的位数可以任意多。但是位数越多，所需的电子器件也越多，因此计算机的运算器长度一般是8位、16位、32位、64位。
3．存储器
存储器的功能是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。为此，在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。注意，不论是数据，还是解题步骤，在存放到存储器以前，它们全已变成0或1表示的二进制代码。因此，存储器存储的也全是0或1表示的二进制代码。
（1）二进制代码的保存
目前采用半导体器件来保存，它的原理如下：
①由于一个半导体触发器有0和1两个状态，可以记忆一个二进制代码。一个数假定用16位二进制代码来表示，则需要有16个触发器来保存这些代码。
②通常，在存储器中把保存一个数的16个触发器称为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为地址。
③向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元，这相当于上面所讲的横格纸每一行存放一个数。存储器的结构示意图如图1-4所示。

图1-4 存储结构示意图
（2）存储器的容量
存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB、MB来表示，如64KB、128MB。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息越多。
半导体存储器的存储容量毕竟有限，因此计算机配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。
4．控制器
控制器是计算机中发号施令的部件，它控制计算机的各部件有条不紊地进行工作，任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。
（1）计算程序
①概述
运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及其他一些辅助操作。对于比较复杂的计算题目，计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做。每一个基本操作是指一条指令，而解决某一问题的一串指令序列，称作该问题的计算程序，简称为程序。
②举例
例如，在前述求解

的例子中，在横格纸上列出了它的解题步骤。解题步骤的每一步，只完成一种基本操作，所以就是一条指令，而整个解题步骤是指一个简单的计算程序。
正如在横格纸上按行的序号记下解题步骤一样，计算机中为了顺利运算，也必须事先把程序和数据按地址安排到存储器里去。注意，程序中的指令通常按顺序执行，所以这些指令是顺次放在存储器里。这就相当于把表1-3所示的横格纸的内容原封不动地搬到存储器，所编的程序如表1-4所示。
表1-4 计算

的程序

（2）指令的形式
由表1-4可知，每条指令应当明确告诉控制器，从存储器的哪个单元取数，并进行何种操作。这样，可知指令的内容由两部分组成，即操作的性质和操作数的地址。前者称为操作码，后者称为地址码。因而上述指令的形式如下：

操作码

地址码

①操作码
操作码指出指令所进行的操作，如加、减、乘、除、取数、存数等；
②地址码
地址码指出参加运算的数据应从存储器的哪个单元中取来，或运算的结果应该存到哪个单元中去。
③操作码和地址码的表示形式
指令的操作码和地址码是用二进制代码来表示，其中地址码部分和数据一样，是二进制数的数码，而操作码部分则是二进制代码的编码。假定只有8种基本指令，这8种指令的操作码可用3位二进制代码来定义，如表1-5所示。
表1-5 指令的操作码定义

这样，表1-5中指令的操作码部分就可以变成二进制代码。
假如把地址码部分和数据也换成二进制数，那么整个存储器的内容全部变成了二进制的代码或数码，如图1-5所示。

图1-5 指令和数据在存储器中用二进制码存储
由图1-5可知，指令数码化以后，可以和数据一样放入存储器。存储器的任何位置既可以存放数据也可以存放指令，不过一般是将指令和数据分开存放。
④冯·诺依曼和哈佛结构
ａ．冯·诺依曼型计算机设计思想
将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序，而控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务称为程序控制。存储程序并按地址顺序执行，这是指冯·诺依曼型计算机的设计思想，也是机器自动化工作的关键。
ｂ．冯·诺依曼结构
指令和数据放在同一个存储器，称为冯·诺依曼结构。
ｃ．哈佛结构
指令和数据分别放在两个存储器，称为哈佛结构。显然后者结构的计算机速度更快。
一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成该计算机的指令系统。指令系统同时是硬件和软件设计的依据和基础。因此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志。
（3）控制器的基本任务
①控制器的功能
控制器的基本任务是按照计算程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令，依次类推。通常把取指令的一段时间称作取指周期，把执行指令的一段时间称作执行周期。因此，控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中，如图1-6所示。

图1-6 控制器功能示意
②指令在存储器中顺序存放的原因。
每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加l，从而为取下一条指令做好准备。
早期的计算机术语中，把运算器和控制器合在一起称为中央处理机，简称CPU。目前存储器也放入到CPU芯片中，称为中央处理器。
（4）指令流和数据流
①概述
由于计算机仅使用0和1两个二进制数字，所以使用“位”（bit）作为数字计算机的最小信息单位。当CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，不能存取单个的“位”，而用B（字节）和W（字）等较大的信息单位来工作。一个“字节”由8位二进制信息组成，而一个“字”则至少由一个以上的字节组成。通常把组成一个字的二进制位数称作字长。
②数据字和指令字
由于计算机使用的信息既有指令又有数据，所以计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。
a．数据字
如果某字代表要处理的数据，则称为数据字。
b．指令字
如果某字代表指令，则称为指令字。
②控制器对指令字和控制字的区分
指令和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制数码，然而控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。
a．一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；
b．在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。
例如，图15中从地址l～7号单元读出的信息流是指令流，而从地址9～12号单元读出的信息流是数据流。显然，某些指令进行过程中需要两次访问内存，一次是取指令，另一次是取数据，如表1-4中取数、乘法、加法、减法、存数指令就是如此。
5．输入输出设备
（1）输入设备
a．理想的输入设备
理想的计算机输入设备应该是能够把人们用文字或语言所表达的问题直接送到计算机内部进行处理，但是现在这种理想的输入设备还未大规模投入应用。
b．常用的输入设备
目前常用的输入设备是键盘、鼠标器、数字扫描仪及模数转换器等。
c．作用
输入设备的作用是把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
（2）输出设备
a．理想的输出设备
理想的输出设备应该是“会写”和“会讲”。
b．常用的输出设备
目前常用的输出设备有激光印字机、绘图仪、CRT显示器等。这些设备不仅能输出文字符号，而且还能画图作曲线。而输出语言的设备，目前也有高级产品问世。
c．作用
输出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。
（3）外围设备
a．概述
计算机的输入／输出设备通常称为外围设备。这些外围设备有高速的也有低速的，有机电结构的，也有全电子式的。由于种类繁多且速度各异，因而它们不是直接与高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相联系。
b．适配器
适配器的作用相当于一个转换器，它可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息。
一个典型的计算机系统具有各种类型的外围设备，因而有各种类型的适配器，它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作。
（4）总线
除了上述各部件外，计算机系统中还必须有总线。系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。
四、计算机的软件
1．软件的组成与分类
（1）软件的组成
利用前面所述计算程序，计算机可以高速自动地完成各种运算。因为它是无形的东西，所以称为软件或软设备。利用计算机进行计算、控制或做其他工作时，需要有各种用途的程序。故凡是用于一台计算机的各种程序，统称为这台计算机的程序或软件系统。
（2）软件的分类
①系统程序
系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：
a．各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；
b．语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；
c．操作系统；
d．数据库管理系统。
②应用程序
应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等。随着计算机的广泛应用，这类程序的种类越来越多。
2．软件的发展演变
（1）以系统程序为例，软件的发展演变过程分为如下几个阶段：
①在早期的计算机中，人们直接用机器语言（即机器指令代码）来编写程序，这种方式编写的程序称为手编程序，计算机完全可以“识别”并能执行，故又称作目的程序。但直接用机器语言编写程序是一件很烦琐的工作，需要耗费大量的人力和时间，而且又容易出错，出错后寻找错误也相当费事，这些情况大大限制了计算机的使用。
②为了编写程序方便和提高机器的使用效率，用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令，然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序。汇编语言是一种能被转化为二进制文件的符号语言。对人来讲，符号语言简单直观、便于记忆，比二进制数表示的机器语言方便了许多。
③但计算机只“认识”机器语言而不认识这些文字、数字、符号，为此人们创造了一种程序，叫汇编器。如同英汉之间对话需要“翻译”一样，汇编器的作用相当于一个“翻译员”。借助于汇编器，计算机本身可以自动地把符号语言表示的程序（称为汇编语言程序）翻译成用机器语言表示的目的程序，从而实现了程序设计工作的部分自动化。
④符号语言还是一种最初级的语言，和数学语言的差异很大，并且仍然面向一台具体的机器。由于不同的计算机，其指令系统也不同，所以人们使用计算机时必须先花很多时间熟悉这台机器的指令系统，然后再用它的符号语言来编写程序。为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言。
a．算法语言概述
算法语言，是指按实际需要规定好的一套基本符号及由这套基本符号构成程序的规则。算法语言比较接近数学语言，它直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机。
b．常见算法语言
有影响的算法语言有BASIC，FORTRAN，C，C++，Java等。
⑤用算法语言编写的程序称为源程序。但是，这种源程序是不能由机器直接识别和执行的，还须给计算机配备一个既懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言。通常给计算机配制一套用机器语言写的编译程序，把源程序翻译成目的程序，然后机器执行目的程序，得出计算结果。但由于目的程序一般不能独立运行，还需要运行系统的辅助程序来帮助。通常，把编译程序和运行系统合称为编译器。
（2）举例
一个在硬盘文件中的c语言程序的描述如图1-7所示。

图1-7 C语言的转换层次
被转换成计算机上可运行的机器语言程序的如下四个步骤：
①C语言程序通过编译器首先被编译为汇编语言程序；
②然后通过汇编器汇编为机器语言的目标模块；
③链接器将多个模块与库程序组合在一起以解析所有的应用；
④加载器将机器代码放入合适的内存位置以便处理器执行。
（3）操作系统
①概述
操作系统是随着硬件和软件的不断发展而逐渐形成的一套软件系统，用来管理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。操作系统的出现，使计算机的使用效率成倍地提高，并且为用户提供了方便的使用手段和令人满意的服务质量。
②分类
根据不同使用环境要求，操作系统目前大致分为如下几种：
a．批处理操作系统；
b．分时操作系统；
c．网络操作系统；
d．实时操作系统。
（4）数据库和数据库管理系统
①数据库
a．概述
随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展，要求大量处理某些数据，建立和检索大量的表格。这些数据和表格按一定的规律组织起来，使得处理更方便，检索更迅速，用户使用更方便，数据库应运而生。
b．定义
数据库是指实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。
②数据库管理系统
a．定义
数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库管理系统。
b．分类
数据库管理系统有各种类型。目前许多计算机包括微型机，都配有数据库管理系统。
目前所有的高级语言编写程序时，程序比较复杂，开发成本高。计算机语言发展的方向是标准化、积木化、产品化，最终是向自然语言发展，它们能够自动生成程序。预计软件的进一步发展，将开发更高级的计算机语言。
五、计算机系统的层次结构
1．多级组成的计算机系统
计算机是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图1-8所示。

图1-8 计算机系统的层次结构
（1）微程序设计级（逻辑电路级）
微程序设计级是一个实在的硬件级，由硬件直接执行。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。
（2）一般机器级（机器语言级）
一般机器级也是硬件级，它由微程序解释机器指令系统。
（3）操作系统级（混合级）
操作系统级由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令。
（4）汇编语言级
汇编语言级给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，这一级可以不要。
（5）高级语言级
高级语言级是面向用户的，是为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。
图1-8中，除第l级外，其他各级都得到它下级的支持，同时也受到运行在下面各级上的程序的支持。第l级到第3级编写程序采用的语言，基本是二进制数字化语言，机器执行和解释容易；第4、5两级编写程序所采用的语言是符号语言，用英文字母和符号来表示程序，因而便于大多数不了解硬件的人们使用计算机。
采用这种用一系列的级来组成计算机的概念和技术，对了解计算机如何组成提供了一种好的结构和体制，而且用这种分级的观点来设计计算机，对保证产生一个良好的系统结构也是很有帮助的。
2．软件与硬件的逻辑等价性
然而，随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限变得模糊，原因如下：
（1）任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；
（2）任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。
对于某一机器功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量和变更周期等因素。
总之，随着大规模集成电路和计算机系统结构的发展，实体硬件机的功能范围在不断扩大，即第一级和第二级的边界范围，要向第三级乃至更高级扩展，原因如下：
（1）容量大、价格低、体积小、可以改写的只读存储器提供了软件固化的良好物质手段。现在已经可以把许多复杂的、常用的程序制作成固件。这些固件从功能来说，是软件，而从形态来说，是硬件。
（2）目前在一片硅单晶芯片上制作复杂的逻辑电路已经是实际可行的，这就为扩大指令的功能提供了物质基础，因此本来通过软件手段来实现的某种功能，现在可以通过硬件来直接解释执行。
进一步的发展，是设计面向高级语言的计算机。这样的计算机，可以通过硬件直接解释执行高级语言的语句而不需要先经过编译程序的处理。因此传统的软件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。

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