關于計算機控制系統及其運算基礎知識淺析

曾顯偉

[摘 要]計算機隨著計算機網絡技術的飛進發展，計算機控制系統及其操作過程的運算程序研究已成為一個熱門話題，本文主要對計算機主要部件及其功能的基礎知識、控制系統的工作原理和主要功能作了簡單介紹。

[關鍵詞]計算機；控制系統；運算

一、計算機的基礎知識

計算機硬件系統結構 自1946年世界上出現第一臺計算機以來計算機的硬件結構和軟件系統都已發生驚人的變化。但就其基本組成而言仍未擺脫馮·諾伊曼型計算機體系結構的設計思想。即一個完整的計算機硬件系統由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。

行一條指令程序計數器加“1”以形成下條指令的地址該加“1”計數的功能有的機器是PC本身具有的也有的機器是借用運算器完成的二是在某些條件下需要改變程序執行的順序這常由轉移類指令形成轉移地址送到PC中作為下條指令的地址。

二、控制系統基礎知識

計算機系統包括硬件和軟件兩個組成部分。硬件是所有軟件運行的物質基礎軟件能充分發揮硬件潛能和擴充硬件功能完成各種系統及應用任務兩者互相促進、相輔相成、缺一不可。圖1-4給出了一個計算機系統的軟硬件層次結構。其中每層各具有一組功能并提供相應的接口接口對層內掩蓋了實現細節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設施和設備是控制系統和上層軟件賴以工作的基礎。控制系統層對計算機硬件做首次擴充和改造主要完成資源的調度和分配信息的存取和保護并發活動的協調和控制等許多工作。

系統程序層的工作基礎建立在控制系統改造和擴充過的機器上利用控制系統提供的擴展指令集可以較容易地實現各種各樣的語言處理程序、數據庫管理系統和其他系統程序。應用程序層解決用戶不同的應用問題應用程序開發者借助程序設計語言來表達應用問題開發各種應用程序。而最終用戶則通過應用程序與計算機交互來解決具體應用問題。本節重點介紹控制系統的作用與功能。

三、控制系統的定義與作用

盡管控制系統尚未有一個被普遍接受的定義但普遍認為控制系統是管理軟硬件資源、控制程序執行改善人機界面、合理組織計算機工作流程和為用戶使用計算機提供良好運行環境的一種系統軟件。

1.控制系統的重要作用。

（1）通過資源管理提高計算機系統的效率 控制系統還是計算機系統的資源管理者。在計算機系統中能分配給用戶使用的各種硬件和軟件設施總稱為資源。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設備等I/O設備又分為輸入型設備、輸出型設備和存儲型設備信息資源則分為程序和數據等。控制系統的重要任務之一是有序地管理計算機中的硬件、軟件資源跟蹤資源使用狀況滿足用戶對資源的需求協調各程序對資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現各類資源的共享提高資源利用率從而使得計算機系統的效率有很大提高。

（2）改善人機界面向用戶提供友好的工作環境 控制系統層緊靠著計算機硬件層并在其基礎上提供了許多新的設施和能力從而使得用戶能夠方便、可靠、安全、高效地操縱計算機硬件和運行自己的程序。

控制系統負責組織計算機的工作流程協調各個部件有效工作為用戶提供一個良好的運行環境。經過控制系統改造和擴充過的計算機不但功能更強使用也更加方便用戶可以直接調用控制系統提供的許多功能而無需了解許多軟硬件的使用細節。

2.控制系統的功能及特征

控制系統的主要特性有三條并發性、共享性和異步性。

（1）并發性concurrence 指兩個或兩個以上的運行程序在同一時間間隔段內同時執行。控制系統是一個并發系統并發性是它的重要特征它應該具有處理多個同時執行的程序的能力。發揮并發性能夠消除計算機系統中部件和部件之間的相互等待有效地改善了系統資源的利用率改進了系統的吞吐率提高了系統效率。例如一個程序等待I/O時就出讓CPU而調度另一個運行程序占有CPU執行。這樣在程序等待I/O時CPU便不會空閑這就是并發 技術。

（2）共享性sharing 指控制系統中的資源包括硬件資源和信息資源可被多個并發執行的進程所使用。出于經濟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的有時也是不可能的。現實的方法是讓多個用戶程序共用一套計算機系統的所有資源因而必然會產生共享資源的需要。 共享性和并發性是控制系統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為運行程序的并發執行而引起的若系統不允許運行程序并發執行自然也就不存在資源共享問題。另一方面若系統不能對資源共享實施有效的管理必然會影響運行程序的并發執行甚至運行程序無法并發執行控制系統也就失去了并發性導致整個系統效率低下。

（3）異步性asynchronism 或稱隨機性。在多道程序環境中允許多個進程并發執行由于資源有限而進程眾多多數情況下進程的執行不是一直到底而是“走走停停”。例如一個進程在CPU上運行一段時間后由于等待資源滿足或事件發生它被暫停執行CPU轉讓給另一個進程執行。系統中的進程何時執行何時暫停以什么樣的速度向前推進進程總共要多少時間執行才能完成這些都是不可預知的或者說該進程是以異步方式運行的。異步性給系統帶來了潛在的危險有可能導致與時間有關的錯誤。但只要運行環境相同控制系統必須保證多次運行作業都會獲得完全相同的結果。

3.控制系統的功能

資源管理是控制系統的一項主要任務而控制程序執行、擴充及其功能、屏蔽使用細節、方便用戶使用、組織合理工作流程、改善人機界面等都可以從資源管理的角度去理解。

四、計算機中的運算系統

運算器進行算術和邏輯運算的部件運算數據以二進制格式給出。它可從存儲器取出或來自輸入設備運算結果或寫入存儲器或通過輸出設備輸出。

控制器協調整個計算機系統的正常工作。主要包括指令寄存器、指令譯碼及時序控制等部件。 運算器與控制器一般又稱為中央處理器CPUCentral Processing Unit是計算機的核心部件。 存儲器存放數據和程序的部件通過地址線和數據線與其他部件相連。 輸入/輸出設備包括各類輸入/輸出設備及相應的輸入/輸出接口。

運算器是計算機中用于信息加工的部件。它能對數據進行算術和邏輯運算。算術運算按算術規則進行運算如加、減、乘、除及它們的復合運算邏輯運算一般泛指非算術性運算如比較、移位、邏輯加、邏輯乘、邏輯取反及異或操作等。 運算器通常由算術邏輯運算部件ALU和一些寄存器組成。ALU是具體完成算術邏輯運算的部件寄存器主要用于存放操作數、結果及操作數地址寄存器除了存放參加運算的操作數外在連續運算中還用于存放中間結果和最終結果。寄存器的數據一般是從存儲器中取得累加器的最后結果也應存放到存儲器中。現代計算機的運算器中有多個寄存器如8個、16個、32個或者更多構成一個通用寄存器組以減少訪問存儲器的次數提高運算速度。

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