关于计算机控制系统及其运算基础知识浅析

　　计算机应用随着计算机网络技术的飞进发展，计算机控制系统及其操作过程的运算程序研究已成为一个热门话题，本文主要对计算机主要部件及其功能的基础知识、控制系统的工作原理和主要功能作了简单介绍。

　　一、计算机的基础知识

　　计算机硬件系统结构 自1946年世界上出现第一台计算机以来计算机的硬件结构和软件系统都已发生惊人的变化。但就其基本组成而言仍未摆脱冯·诺伊曼型计算机体系结构的设计思想。即一个完整的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

　　行一条指令程序计数器加“1”以形成下条指令的地址该加“1”计数的功能有的机器是PC本身具有的也有的机器是借用运算器完成的二是在某些条件下需要改变程序执行的顺序这常由转移类指令形成转移地址送到PC中作为下条指令的地址。

　　二、控制系统基础知识

　　计算机系统包括硬件和软件两个组成部分。硬件是所有软件运行的物质基础软件能充分发挥硬件潜能和扩充硬件功能完成各种系统及应用任务两者互相促进、相辅相成、缺一不可。图1-4给出了一个计算机系统的软硬件层次结构。其中每层各具有一组功能并提供相应的接口接口对层内掩盖了实现细节对层外提供了使用约定。 硬件层提供了基本的可计算性资源包括处理器、寄存器、存储器以及可被使用的各种I/O设施和设备是控制系统和上层软件赖以工作的基础。控制系统层对计算机硬件做首次扩充和改造主要完成资源的调度和分配信息的存取和保护并发活动的协调和控制等许多工作。

　　系统程序层的工作基础建立在控制系统改造和扩充过的机器上利用控制系统提供的扩展指令集可以较容易地实现各种各样的语言处理程序、数据库管理系统和其他系统程序。应用程序层解决用户不同的应用问题应用程序开发者借助程序设计语言来表达应用问题开发各种应用程序。而最终用户则通过应用程序与计算机交互来解决具体应用问题。本节重点介绍控制系统的作用与功能。

　　三、控制系统的定义与作用

　　尽管控制系统尚未有一个被普遍接受的定义但普遍认为控制系统是管理软硬件资源、控制程序执行改善人机界面、合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。

　　1.控制系统的重要作用。

　　(1)通过资源管理提高计算机系统的效率 控制系统还是计算机系统的资源管理者。在计算机系统中能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。资源包括两大类硬件资源和信息资源。其中硬件资源分为处理器、存储器、I/O设备等I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存储型设备信息资源则分为程序和数据等。控制系统的重要任务之一是有序地管理计算机中的硬件、软件资源跟踪资源使用状况满足用户对资源的需求协调各程序对资源的使用冲突为用户提供简单、有效的资源使用方法最大限度地实现各类资源的共享提高资源利用率从而使得计算机系统的效率有很大提高。

　　(2)改善人机界面向用户提供友好的工作环境 控制系统层紧靠着计算机硬件层并在其基础上提供了许多新的设施和能力从而使得用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

　　控制系统负责组织计算机的工作流程协调各个部件有效工作为用户提供一个良好的运行环境。经过控制系统改造和扩充过的计算机不但功能更强使用也更加方便用户可以直接调用控制系统提供的许多功能而无需了解许多软硬件的使用细节。

　　2.控制系统的功能及特征

　　控制系统的主要特性有三条并发性、共享性和异步性。

　　(1)并发性concurrence 指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。控制系统是一个并发系统并发性是它的重要特征它应该具有处理多个同时执行的程序的能力。发挥并发性能够消除计算机系统中部件和部件之间的相互等待有效地改善了系统资源的利用率改进了系统的吞吐率提高了系统效率。例如一个程序等待I/O时就出让CPU而调度另一个运行程序占有CPU执行。这样在程序等待I/O时CPU便不会空闲这就是并发 技术。

　　(2)共享性sharing 指控制系统中的资源包括硬件资源和信息资源可被多个并发执行的进程所使用。出于经济上的考虑一次性向每个用户程序分别提供它所需的全部资源不但是浪费的有时也是不可能的。现实的方法是让多个用户程序共用一套计算机系统的所有资源因而必然会产生共享资源的需要。 共享性和并发性是控制系统的两个最基本的特征它们互相依存。一方面资源的共享是因为运行程序的并发执行而引起的若系统不允许运行程序并发执行自然也就不存在资源共享问题。另一方面若系统不能对资源共享实施有效的管理必然会影响运行程序的并发执行甚至运行程序无法并发执行控制系统也就失去了并发性导致整个系统效率低下。

　　(3)异步性asynchronism 或称随机性。在多道程序环境中允许多个进程并发执行由于资源有限而进程众多多数情况下进程的执行不是一直到底而是“走走停停”。例如一个进程在CPU上运行一段时间后由于等待资源满足或事件发生它被暂停执行CPU转让给另一个进程执行。系统中的进程何时执行何时暂停以什么样的速度向前推进进程总共要多少时间执行才能完成这些都是不可预知的或者说该进程是以异步方式运行的。异步性给系统带来了潜在的危险有可能导致与时间有关的错误。但只要运行环境相同控制系统必须保证多次运行作业都会获得完全相同的结果。

　　3.控制系统的功能

　　资源管理是控制系统的一项主要任务而控制程序执行、扩充及其功能、屏蔽使用细节、方便用户使用、组织合理工作流程、改善人机界面等都可以从资源管理的角度去理解。

　　四、计算机中的运算系统

　　运算器进行算术和逻辑运算的部件运算数据以二进制格式给出。它可从存储器取出或来自输入设备运算结果或写入存储器或通过输出设备输出。

　　控制器协调整个计算机系统的正常工作。主要包括指令寄存器、指令译码及时序控制等部件。 运算器与控制器一般又称为中央处理器CPUCentral Processing Unit是计算机的核心部件。 存储器存放数据和程序的部件通过地址线和数据线与其他部件相连。 输入/输出设备包括各类输入/输出设备及相应的输入/输出接口。

　　运算器是计算机中用于信息加工的部件。它能对数据进行算术和逻辑运算。算术运算按算术规则进行运算如加、减、乘、除及它们的复合运算逻辑运算一般泛指非算术性运算如比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。 运算器通常由算术逻辑运算部件ALU和一些寄存器组成。ALU是具体完成算术逻辑运算的部件寄存器主要用于存放操作数、结果及操作数地址寄存器除了存放参加运算的操作数外在连续运算中还用于存放中间结果和最终结果。寄存器的数据一般是从存储器中取得累加器的最后结果也应存放到存储器中。现代计算机的运算器中有多个寄存器如8个、16个、32个或者更多构成一个通用寄存器组以减少访问存储器的次数提高运算速度。

　　作者：曾显伟 来源：世纪之星·交流版 2016年6期