了得網研究生_大學計算機基礎(第3版)

編輯推薦

統籌兼顧，計算思維引領，串聯編排各知識環節；
面向多領域實際問題，展現計算及計算思維作用；
前置背景知識要求低，適用於各專業大學新生。

內容簡介

本書兼顧計算機科學基礎知識和計算思維，以計算思維能力培養為主線，串聯信息表示、計算機繫統、操作繫統、網絡、多媒體技術、科學計算及新方向等內容，選擇Python作為計算實踐的語言，內容偏重於如何將計算思維應用於計算機科學等領域以解決問題。實踐內容將在授課內容的基礎上進行拓展，並要求運用Python及相關的配套庫進行問題求解練習。希望通過應用問題求解的學習和實踐，培養讀者在理解計算機繫統的基礎上，主動在各自專業學習中利用計算思維的方法和技能，進行問題求解的能力和習慣。學完本書後，希望讀者能動手解決具有一定難度的實際問題。
本書適合作為高等學校計算機基礎課程的教材，也可作為計算機培訓、計算機等級考試和計算機初學者的參考書。本書可與《大學計算機基礎實驗教程（第2版）》配合使用。

目錄
大學計算機基礎(第3版)第1章計算與社會1
1.1計算概論1
1.2計算裝置發展簡史4
1.2.1機械式計算裝置4
1.2.2圖靈機和圖靈7
1.2.3現代電子計算機10
1.2.4計算機的發展趨勢12
1.3計算技術的應用14
1.4信息化社會與人19
1.5計算思維概論21
1.6小結23
1.7習題23
目錄
大學計算機基礎(第3版)第1章計算與社會1
1.1計算概論1
1.2計算裝置發展簡史4
1.2.1機械式計算裝置4
1.2.2圖靈機和圖靈7
1.2.3現代電子計算機10
1.2.4計算機的發展趨勢12
1.3計算技術的應用14
1.4信息化社會與人19
1.5計算思維概論21
1.6小結23
1.7習題23
第2章Python簡介25
2.1引言25
2.2Pytho素26
2.2.1對像、表達式和數值類型27
2.2.2變量和賦值28
2.2.3str類型與輸入29
2.3內置數據結構31
2.3.1列表31
2.組33
2.3.3字典34
2.4控制語句35
2.4.1分支語句35
2.4.2循環36
2.5函數37
2.6使用模塊40
2.7面向對像基礎41
2.8Python編程示例——打印月歷45
2.9小結49
2.10習題49
大學計算機基礎(第3版)目錄第3章計算思維52
3.1概述53
3.2邏輯思維與算法思維56
3.2.1邏輯思維56
3.2.2算法思維59
3.2.3小結61
3.3問題求解策略62
3.3.1基本步驟62
3.3.2分解法63
3.3.3模式與歸納65
3.3.4小結68
3.4抽像與建模68
3.4.1抽像68
3.4.2建模71
3.5評價解決方案74
3.5.1解是否正確74
3.5.2解的效率如何76
3.5.3小結77
3.6算法、數據結構與程序78
3.6.1算法設計常用策略78
3.6.2算法的描述79
3.6.3算法示例81
3.6.4數據結構86
3.6.5程序設計語言87
3.7“捉狐狸”問題求解示例90
3.8小結94
3.9習題94
第4章信息、編碼及數據表示96
4.1信息論基礎96
4.2編碼及其解釋99
4.3數值的數字化103
4.4計算機數值表示105
4.4.1計算機碼制105
4.4.2定點數和浮點數108
4.5字符的數字化110
4.5.1漢字編碼111
4.5.2Ｕｎｉｃｏｄｅ碼112
4.6聲音的數字化113
4.7圖像的數字化115
4.8信息處理示例119
4.8.1數據壓縮示例及Python實現119
4.8.2生成圖像驗證碼及Python實現122
4.8.3Python繪制分形圖形123
4.9小結126
4.10習題126
第5章計算機繫統130
5.1概述131
5.2計算機硬件繫統133
5.2.1中央處理器134
5.2.2存儲繫統138
5.2.3總線141
5.2.4輸入輸出繫統142
5.3操作繫統143
5.3.1概述144
5.3.2進程管理145
5.3.3存儲管理149
5.3.4文件管理150
5.3.5設備管理152
5.3.6用戶接口153
5.3.7操作繫統的加載155
5.4Python構建馮·諾依曼體繫結構模擬器156
5.5利用Python使用操作繫統159
5.5.1利用Python查看進程信息159
5.5.2利用Python查看繫統存儲信息161
5.5.3Python文件操作163
5.6小結165
5.7習題165
第6章計算機網絡及應用168
6.1計算機網絡基礎168
6.1.1計算機網絡的發展歷史169
6.1.2計算機網絡的分類171
6.1.3計算機網絡體繫結構與協議172
6.1.4計算機網絡傳輸介質及設備177
6.2Internet基礎179
6.2.1Internet概述179
6.2.2TCP/IP協議182
6.2.3Python TCP/IP網絡編程186
6.3Internet應用190
6.3.1萬維網190
6.3.2電子郵件192
6.3.3文件傳輸194
6.3.4搜索引擎196
6.3.5Python編程示例196
6.4無線網絡198
6.5物聯網201
6.6小結202
6.7習題203
第7章數據庫技術應用基礎204
7.1概述204
7.1.1數據管理發展簡史206
7.1.2數據庫的基本概念206
7.1.3數據庫技術管理數據的主要特征208
7.1.4數據庫的應用209
7.2數據模型211
7.2.1概念模型212
7.2.2邏輯模型216
7.2.3ER模型到關繫模型的轉化221
7.3數據庫管理繫統222
7.3.1數據庫管理繫統的功能222
7.3.2常見數據庫管理繫統軟件223
7.4Python數據庫程序設計示例225
7.5Python數據分析示例226
7.6小結231
7.7習題232
第8章科學計算233
8.1泰勒級數234
8.1.1泰勒級數的主項234
8.1.2餘項及誤差236
8.2插值及擬合238
8.2.1拉格朗日插值238
8.2.2牛頓插值239
8.2.3埃爾米特插值241
8.2.4函數擬合242
8.3數值微積分244
8.3.1數值微分244
8.3.2數值積分247
8.4非線性方程數值解249
8.4.1二分法求根249
8.4.2函數迭代法求根250
8.4.3牛頓迭代法求根251
8.5線性方程組求解252
8.5.1直接法求解252
8.5.2迭代法求解255
8.6符號計算257
8.7小結262
8.8習題262
第9章計算機發展新技術264
9.1高性能計算265
9.1.1高性能計算的含義及意義265
9.1.2高性能計算的關鍵技術266
9.1.3高性能計算的典型應用270
9.1.4高性能計算的發展挑戰270
9.1.5Python高性能編程——計算π272
9.2雲計算與大數據274
9.2.1雲計算274
9.2.2大數據276
9.3人工智能278
9.3.1人工智能的基本概念與發展歷程278
9.3.2搜索280
9.3.3知識表示與推理281
9.3.4機器學習283
9.3.5智能控制285
9.3.6Python機器學習示例——預測外賣配送時間286
9.4新型計算技術289
9.4.1量子計算289
9.4.2光計算290
9.4.3生物計算291
9.5小結292
9.6習題292
參考文獻294

前言

前言
大學計算機基礎(第3版)人要成功融入社會所的思維能力，是由其所處時代能夠獲得的工具決定的。計算機是信息社會的工具之一，如何有效利用計算機分析和解決問題，將與閱讀、寫作和算術一樣，成為 21 世紀每個人的基本技能，而不僅僅屬於計算機專業人員。計算機正在對人們的生活、工作，甚至思維產生深刻的影響。
“大學計算機基礎”是大學本科教育的門計算機公共基礎課程，它的改革越來越受到人們的關注。本課程的主要目的是從使用計算機、理解計算機繫統和計算思維3個方面培養學生的計算機應用能力。從2008年開始，以“計算思維”的培養為主線開展計算科學通識教育，逐漸成為國內外計算機基礎教育界的共識。
前言
大學計算機基礎(第3版)人要成功融入社會所的思維能力，是由其所處時代能夠獲得的工具決定的。計算機是信息社會的工具之一，如何有效利用計算機分析和解決問題，將與閱讀、寫作和算術一樣，成為 21 世紀每個人的基本技能，而不僅僅屬於計算機專業人員。計算機正在對人們的生活、工作，甚至思維產生深刻的影響。
“大學計算機基礎”是大學本科教育的門計算機公共基礎課程，它的改革越來越受到人們的關注。本課程的主要目的是從使用計算機、理解計算機繫統和計算思維3個方面培養學生的計算機應用能力。從2008年開始，以“計算思維”的培養為主線開展計算科學通識教育，逐漸成為國內外計算機基礎教育界的共識。
基於這種認識，第2版教材進行了較大幅度的修改，增加了計算思維所占的比重。指導思想是兼顧計算機基礎知識和計算思維，選擇Python作為實踐語言，將信息表示與處理、計算機繫統、網絡、數據庫、多媒體等知識既作為教學內容，又作為計算思維求解問題的研究對像，加以實踐，教材內容更偏重於如何將計算思維應用於各領域求解問題。終，通過這種問題求解的學習和實踐，希望學生在理解計算機基礎知識的同時，能主動在各自專業學習中利用計算思維的方法和技能，進行問題求解，能動手解決具有一定難度的實際問題。
經過一年的實踐，綜合各方面的反饋，對第2版教材進行了改版。
(1) 對計算思維的內容進行了重新梳理，在第2版中將計算思維、計算機問題求解的內容統一到計算思維的幾個核心概念下。
(2) 對Python基礎知識進行了重新組織，更新了案例。
(3) 將原來分布在兩章的計算機硬件繫統與操作繫統合並成為一章，連貫性更好。
(4) 合並了信息表示和多媒體技術基礎，從信息角度，把字符、數值、圖像、聲音等同等對待和處理。
(5) 新增了一章科學計算的內容，以體現Computing in Science的理念，即結合高等數學和計算思維，使學生在大學入學之初就能解決現實世界復雜規模的問題。
第3版教材包含9章內容，大致可分為如下部分: 計算與社會(第1章);Python簡介(第2章);計算思維(第3章);信息、編碼及數據表示(第4章);計算機繫統、計算機網絡及應用，數據庫技術應用基礎(第5、6、7章);科學計算(第8章);以及計算機發展新技術(第9章)。
本書內容涉及計算機專業多門課程的知識，概念龐雜，術語繁多。表面上看，章與章之間的聯繫松散。對於初學者來說，學好這門課程不容易，融會貫通就更加困難了。如何把握全書的脈絡?建議以 “信息表示和信息處理”“計算思維與計算機問題求解”作為理解章節內容聯繫的兩條主要線索。
計算機繫統是信息處理的工具，而信息處理依賴於某種形式的信息表示。本書中主要介紹了用01符號串表示數值信息、字符信息、聲音信息和圖像信息的方法。介紹了以文件和數據庫形式組織信息的技術。介紹了計算機繫統處理信息的工作原理。每一個計算機繫統功能都涉及某類或某幾類信息，每一個計算機繫統功能都可以轉換為信息處理過程。讀者應該思考: 這些信息是怎樣表示的?為什麼要使用這種表示方法?計算機繫統的功能由哪些信息處理過程組成?這些處理過程包含哪些步驟?處理步驟是如何(自動)實現的?
在理解信息表示和信息處理的基礎上，學習計算思維，是為了更好地發揮計算機的作用，解決具體問題。讀者在學習計算思維時，應該考慮: 以計算機基礎知識為研究內容，用計算思維如何思考問題和解決問題?如何類比其他領域的問題?踫到具體問題時，可以思考該問題是否有計算的解?解是什麼?如何實現解?如何讓計算機幫助求解?
同時，這兩條線索又是統一的，本書的案例以計算機繫統本身作為對像，展示了用計算思維與計算機問題求解來研究計算機繫統的方法。為讀者將計算思維擴展到其他學科領域做了良好的示範。
如果這些問題都明晰了，對融會貫通全書內容有很大幫助。
本書適用於計算機專業和非計算機專業一年級新生，不要求有計算機程序設計經驗，並且也不是以程序設計為主要內容，而是要求學生專注於理解計算思維求解問題的方法和技能。一些Python語言基礎知識的介紹，是幫助讀者閱讀和理解教材中給出的Python程序。希望讀者能在理解的基礎上，對這些程序進行小修改，來實踐自己的問題求解方法。同時建議與本書配套的《大學計算機基礎實驗教程（第2版）》配合使用，效果更好。
本書的第 1～7章主要由李暾編寫或在前兩版基礎上進行了更新，第8章由劉萬偉編寫，第9章由陳立前編寫。各章案例及新增內容由李暾、毛曉光、劉萬偉、周海芳、周競文等編寫。全書由李暾、毛曉光負責統稿。王志英、寧洪、陳懷義、王保恆等教授對本書的編寫給予了許多指導，陳立前、周競文為本書的文字整理和校對做了大量工作。此外，本書還參考了很多文獻資料和網絡素材，在此一並表示衷心的感謝。
本書的寫作集體根據多年的教學實踐，在內容的甄選、全書組織形式等方面既借鋻了同類書的成功經驗，也做出了自己的努力。但是改進的空間還很大，熱切希望廣大讀者能夠予以斧正。

編者
2018年7月大學計算機基礎(第3版)

在線試讀

第5章第5章計算機繫統【學習內容】
本章介紹計算機繫統軟硬件相關內容，主要知識點如下。
（1）計算機繫統的基本概念及其組成。
（2）馮·諾依曼體繫結構及各部分工作機制。
（3）操作繫統的基本概念及其主要功能。
（4）計算機軟件繫統的分類、層次結構及主要功能。
（5）計算思維在計算機繫統中的體現。
（6）利用操作繫統接口編程查看繫統狀態。
【學習目標】
通過本章的學習，讀者應掌握如下內容。
（1）了解計算機繫統的組成，理解繫統各部分的作用。
（2）理解馮·諾依曼體繫結構。
（3）掌握中央處理器的工作過程。
（4）理解存儲繫統的設計原理、構成和工作原理。
（5）理解輸入輸出繫統的構成和控制方式，掌握基本術語。
（6）理解總線結構、工作原理以及評價指標。
（7）掌握操作繫統的角色和基本功能。
（8）理解進程管理、文件管理、設備管理、用戶接口等基本概念。
（9）掌握操作繫統進程管理的基本功能和策略。第5章第5章計算機繫統【學習內容】
本章介紹計算機繫統軟硬件相關內容，主要知識點如下。
（1）計算機繫統的基本概念及其組成。
（2）馮·諾依曼體繫結構及各部分工作機制。
（3）操作繫統的基本概念及其主要功能。
（4）計算機軟件繫統的分類、層次結構及主要功能。
（5）計算思維在計算機繫統中的體現。
（6）利用操作繫統接口編程查看繫統狀態。
【學習目標】
通過本章的學習，讀者應掌握如下內容。
（1）了解計算機繫統的組成，理解繫統各部分的作用。
（2）理解馮·諾依曼體繫結構。
（3）掌握中央處理器的工作過程。
（4）理解存儲繫統的設計原理、構成和工作原理。
（5）理解輸入輸出繫統的構成和控制方式，掌握基本術語。
（6）理解總線結構、工作原理以及評價指標。
（7）掌握操作繫統的角色和基本功能。
（8）理解進程管理、文件管理、設備管理、用戶接口等基本概念。
（9）掌握操作繫統進程管理的基本功能和策略。
（10）理解操作繫統存儲管理的概念、功能和常用方式。
（11）理解文件的組織方式，了解文件管理的功能和基本策略。
（12）理解操作繫統設備管理的方式。
（13）了解操作繫統提供的不同用途的用戶接口的要素和形式。
（14）了解計算機軟件繫統的分類、層次結構及主要功能。
（15）了解對復雜繫統如馮·諾依曼體繫結構的抽像與模擬的方法。
（16）了解通過Python編程使用主流操作繫統典型功能的方法。本章主要介紹信息處理核心裝置——計算機繫統，包括其軟硬件構成與結構、如何支持信息處理，以及各部分在信息處理中的作用。首先介紹計算機硬件繫統的體繫結構，以馮·諾依曼體繫結構為依據，介紹計算機繫統的硬件構成。然後圍繞著該體繫結構各部件，介紹它們如何進行信息表示、信息傳遞和信息處理，偏重於各部件的核心構成以及基本工作原理。
操作繫統是計算機繫統中重要的軟件，它對計算機繫統的軟硬件資源進行管理、協調，並代表計算機與外界進行通信。正是有了操作繫統，纔使得計算機硬件繫統成為真正可用，本章介紹操作繫統如何完成上述功能。介紹操作繫統的基本概念，根據操作繫統的繫統管理角色和功能，依次介紹進程管理、存儲管理、文件管理、設備管理和用戶接口，以及操作繫統的加載等所涉及的基本概念和策略。
後，對硬件繫統用模擬的方法進行了研究，展示了如何利用Python編程使用操作主要功能。
大學計算機基礎(第3版)第5章計算機繫統5.1概述
一般來說，計算機是一種可編程的機器，它接收輸入，存儲並且處理數據，然後按某種有意義的格式進行輸出。可編程指的是能給計算機下一繫列的命令，並且這些命令能被保存在計算機中，並在某個時刻能被取出執行。
通常所說的計算機實際上指的是計算機繫統，它包括硬件和軟件兩大部分。硬件繫統指的是物理設備，包括用於存儲並處理數據的主機繫統，以及各種與主機相連的、用於輸入和輸出數據的外部設備，如鍵盤、鼠標、顯示器和磁帶機等，根據其用途又分為輸入設備和輸出設備。計算機的硬件繫統，是整個計算機繫統運行的物理平臺。計算機繫統要能發揮作用，僅有硬件繫統是不夠的，還需要具備完成各項操作的程序，以及支持這些程序運行的平臺等條件，這就是軟件繫統。所以，一個實際的計算機繫統通常由圖51所示的結構構成。
圖51計算機繫統的構成
目前占主流地位的計算機硬件繫統結構是馮·諾依曼體繫結構，由美國科學家馮·諾依曼等在1946年提出。在此之前出現的各種計算輔助工具，如差分機等，其用途是固定的，即各種操作是在制造機器的時候就固定下來，不能用於其他用途。以常見的計算器為例，人們隻能用它進行各類定制好的運算，而無法用它進行文字處理，更不能打遊戲。要使這類機器增加新的功能，隻能更改其結構，甚至重新設計機器。所以，這類計算裝置是不可編程的。
馮·諾依曼體繫結構的核心思想——存儲程序改變了這一切。通過創造一組指令集，並將各類運算轉化為一組指令序列，使得不需改變機器結構，就能使其具備各種功能。在馮·諾依曼體繫結構中，程序和數據都是以二進制形式存放在計算機存儲器中，程序在的控制下順序執行。程序是計算機指令的一個序列，指令是計算機執行的小單位，由操作碼和操作數兩部分構成。操作碼表示指令要執行的動作，操作數表示指令操作的對像是什麼，即數據。
在該體繫結構中，計算機由5部分組成：存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出設備(見圖52)。需要執行的程序及其要處理的數據保存於存儲器中，控制器根據程序指令發出各種命令，控制運算器對數據進行操作、控制輸入設備讀入數據以及控制輸出設備輸出數據。
圖52馮·諾依曼體繫結構
在馮·諾依曼體繫結構形成之前，人們將數據存儲於主存中，而程序被看成是控制器的一部分，兩者是區別對待和處理的。而將程序與數據以同樣的形式存儲於主存中的特點，對於計算機的自動化和通用性，起到了至關重要的作用。
馮·諾依曼體繫結構指的是單機體繫結構。為了提高計算機的性能，科學家們提出了各種體繫結構。例如，由多個計算機構成的並行處理結構、集群結構等。它們的出現，是為了滿足特定任務的要求，這些任務要求計算機繫統有更高的能力，以滿足諸如氣像預報、核武器數值模擬、航天器設計等任務的需求。目前，主流的並行計算結構有對稱多處理繫統(Symmetric Multi Processing，SMP)、大規模並行處理繫統(Massively Parallel Processing，MPP)和集群等。
除了看得見摸得著的硬件之外，計算機繫統中還包含各種計算機軟件繫統，簡稱為軟件。計算機科學對軟件的定義是，“軟件是在計算機繫統支持下，能夠完成特定功能和性能的程序、數據和相關的文檔”。於是，軟件可形式化地表示為
軟件=知識程序數據文檔
程序是用計算機程序設計語言描述的。無論是低級語言（如彙編語言），還是高級語言（如C 、Java），程序都可以在相應語言編譯器的支持下轉換成操縱計算機硬件執行的代碼。數據是程序加工的對像和結果。計算機直接加工的數據結構隻有簡單的整型數、浮點數、邏輯量、字符，人們可以根據需要，在此基礎上定義復雜的數據結構。基於大量數據處理的軟件需要數據庫繫統的支持，涉及數據的加工、存儲、檢索、傳輸、應用等。文檔記錄軟件開發的活動和中間制品、記錄軟件的配置及變更，用於軟件專業人員和用戶的交流，以及用於軟件開發、過程管理和運行階段的維護。
軟件繫統是用戶與硬件之間的接口，著重解決如何管理和使用計算機的問題。用戶主要是通過軟件繫統與計算機進行交流。軟件是計算機繫統設計的重要依據。為了方便用戶，以及使計算機繫統具有較高的總體效用，在設計計算機繫統時，必須通盤考慮軟件與硬件的結合，以及用戶的要求和軟件的要求。沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機，其本身不能完成任何功能，隻有配備一定的軟件纔能發揮功效。
軟件是抽像的邏輯產品，而不是物理產品。由於不受材料的限制，也不受物理定律或加工過程的制約，具有很大的靈活性。軟件的靈活性具有雙重性，程序員通過編程可以讓計算機巧妙地工作，同時也很容易讓軟件變得極為復雜，難以理解。軟件開發過程的監督、控制、管理有著特殊的困難。因此，軟件在開發、生產、維護和使用等方面與硬件相比存在明顯的差異。
圖53計算機軟件
繫統的結構
軟件的分類原則、方法很多，從軟件的功能上分為繫統軟件和應用軟件，從實時性上分為實時軟件和非實時軟件，從軟件運行環境上分為單機軟件和網絡軟件，從加工的數據類型上分為事物處理軟件、科學和工程計算軟件，從計算方法上分為基於傳統算法的軟件、基於符號演算和推理規則的人工智能軟件，等等。
計算機軟件繫統的結構如圖53所示，這是典型的分層結構，下層繫統向上層繫統提供服務，上層繫統利用下層繫統提供的服務，以及特定的程序，可以完成指定的任務。使用計算機並不會直接操作計算機硬件，而是通過在操作繫統和各種應用軟件上的操作來控制計算機完成各種任務。
5.2計算機硬件繫統
目前占主流地位的計算機硬件繫統結構是馮·諾依曼體繫結構，如圖54所示。該圖中，馮·諾依曼體繫結構中的控制器和運算器被集中於CPU中，分別對應控制器和算術，主存對應存儲器，各種輸入輸出設備分別對應體繫結構中的輸入設備和輸出設備，各種總線(圖中以空心箭頭表示)對應於馮·諾依曼體繫結構圖中的互連線，用於傳輸命令和數據。
圖54典型的計算機硬件組織結構
5.2.1中央處理器
一般把中央處理器簡稱為處理器，是執行存儲在主存中的指令的引擎。CPU一般由算術邏輯運算器(Arithmetic and Logic Unit，ALU)、(Control Unit，CU)和寄存器組構成，由CPU內部總線將這些構成連接為有機整體，如圖55所示。
圖55CPU的內部結構
的主要功能包括指令的分析、指令及操作數的傳送、產生控制和協調整個CPU工作所需的時序邏輯等。一般由指令寄存器(Instruction Register，IR)、指令譯碼器(Instruction Decoder，ID)和操作控制器(Operation Controller，OC)等部件組成。CPU工作時，根據程序計數器保存的主存地址，操作控制器從主存取出要執行的指令，存放在指令寄存器IR中，經過譯碼，提取出指令的操作碼、操作數等信息，操作碼將被譯碼成一繫列控制碼，用於控制CPU進行ALU運算、傳輸數據等操作，通過操作控制器，按確定的時序，向相應的部件發出微操作控制信號，協調CPU其他部件的動作。操作數將被送到ALU進行相對應的操作，得出的結果在的控制下保存到相應的寄存器中。
ALU的主要功能是實現數據的算術運算和邏輯運算。ALU接收參與運算的操作數，並接收輸出的控制碼，在控制碼的指導下，執行相應的運算。ALU的輸出是運算的結果，一般會暫存在寄存器組中。此外，還會根據運算結果輸出一些條件碼到狀態寄存器，用於標識一些特殊情況，如進位、溢出、除零等。
寄存器組由一組寄存器構成，分為通用和專用寄存器組，用於臨時保存數據，如操作數、結果、指令、地址和機器狀態等。通用寄存器組保存的數據可以是參加運算的操作數或運算的結果。專用寄存器組保存的數據用於表征計算機當前的工作狀態，如程序計數器保存下一條要執行的指令，狀態寄存器保存標識CPU當前狀態的信息，如是否有進位、是否溢出等。通常，要對寄存器組中的寄存器進行編址，以標識訪問哪個寄存器，編址一般從0開始，寄存器組中寄存器的數量是有限的。
數據和指令在CPU中的傳送通道稱為CPU內部總線，總線實際上是一組導線，是各種公共信號線的集合，用於作為CPU中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”。一般分為數據總線(Data Bus，DB)、地址總線(Address Bus，AB)、控制總線(Control Bus，CB)。其中，數據總線用來傳輸數據信息；地址總線用於傳送CPU發出的地址信息；控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態信息等。
指令是CPU執行的小單位，由操作碼和操作數兩部分構成，如圖56(a)所示。操作碼表示指令的功能，即執行什麼動作，操作數表示操作的對像是什麼，例如寄存器中保存的數據、立即數等。計算機能識別的指令是由0和1構成的字串，稱為機器指令。指令的長度通常是一個或幾個字長，長度可以是固定的，也可是可變的。圖56(b)給出了某款CPU的加法指令的示意圖。該指令長度為16位(一個字長)，從左至右標識各位為bit15～bit0。bit15～bit12代表的是操作碼，為0001，在該CPU中表示加法操作。bit11～bit0對應操作數的表示，由於該指令需要3個操作數，bit11～bit0將會被拆分為3段，分別對應兩個相加數(源操作數)和一個求和結果(目的操作數)。bit11～bit9對應保存目的操作數的寄存器地址，在該示例中為110，表示寄存器R6，bit8～bit6與bit2～bit0分別對應保存源操作數的寄存器地址，分別為R2和R6。則這條指令表示將寄存器R6和R2 中保存的數值進行加運算，結果保存回寄存器R6。bit5～bit3用於擴展加法指令的操作，此處不做解釋。
圖56指令
機器指令由0和1字符構成，計算機易於閱讀和理解，但是，不適合人使用。所以，在指令中引入助記符表示操作碼和操作數，以幫助人理解和使用指令。這樣的指令稱為彙編指令。如圖56(c)所示，用ADD來標識該指令是加法指令，R6和R2標識用到的寄存器。計算機不能直接執行彙編指令，要由彙編器將其翻譯成對應的機器指令纔可執行。對圖56(c)的ADD指令，彙編器會將其翻譯成圖56(b)的形式。
CPU的指令是由指令集體繫結構(Instruction Set Architecture，ISA)規定的。每款CPU在設計時就規定了一繫列與其硬件電路相配合的指令繫統。ISA是與程序設計有關的計算機結構的一部分，定義了指令類型、操作種類、操作數數目與類型，以及指令格式等，可用CPU指令集的指令來編寫程序。程序就是用於控制計算機行為完成某項任務的指令序列。在指令集中，通常定義的指令類型有3種。
(1) 操作指令：是處理數據的指令，例如算術運算和邏輯運算都是典型的操作指令。
(2) 數據移動指令：它的任務是在通用寄存器組和主存之間、寄存器和輸入輸出設備之間移動數據。例如，將數據從主存移入寄存器的LOAD指令，和反方向移動數據的STORE指令等。
(3) 控制指令：能改變指令執行順序的指令。例如無條件跳轉指令，將程序計數器的值更改為一個非順序的值，使得下一條指令從新位置開始。
圖57是一個程序示例，為了便於閱讀，采用了彙編指令編寫，分號後面是程序的注釋，幫助人們閱讀和理解程序，而計算機將忽略這些注釋。
圖57程序示例
這段程序用於計算1 2 … 1000的值。利用寄存器R1和R0，開始時將R0設為0，R1設為1。然後將R1的值加到R0上，同時R1增1。此後將R1的值與1000進行比較，如果R1比1000小，則重復執行將R1加到R0上以及R1增1的操作，然後再比較。這種重復執行將在R1大於1000時結束，同時將結束程序的運行。程序中，add是操作指令，ble是控制指令。ble與cmp一起使用，當cmp比較結果為小於等於1000時，該指令被執行，將執行順序跳轉到loop所標示的指令。
CPU的工作過程是循環執行指令的過程。指令的執行過程是在的控制下，精確地、一步一步地完成的。稱這個執行的步驟順序為指令周期，其中的每一步稱為一個節拍。不同的CPU可能執行指令的節拍數不同，但是通常圖58指令執行常見節拍劃分
都可歸為以下4個階段(見圖58)。
(1) 取指令：指令通常存儲在主存中，CPU通過程序計數器獲得要執行的指令存儲地址。根據這個地址，CPU將指令從主存中讀入，並保存在指令寄存器中。
(2) 譯碼：由指令譯碼器對指令進行解碼，分析出指令的操作碼，所需的操作數存放的位置。
(3) 執行：將譯碼後的操作碼分解成一組相關的控制信號序列，以完成指令動作，包括從寄存器讀數據、輸入到ALU進行算術或邏輯運算。
(4) 寫結果：將指令執行節拍產生的結果寫回到寄存器，如果有必要，將產生的條件反饋給。
以上的節拍劃分是粗粒度的，通常每個節拍所包含的動作很難在一個時鐘周期內完成，因此，會進一步將每個節拍進行細化，細化後的每個動作可在一個時鐘周期內完成，不可再細分。例如，取指令階段可以再細分為如下。
(1) 將程序計數器的值裝入到主存的地址寄存器。
(2) 將地址寄存器所對應的的內容裝入主存數據寄存器。
(3) 將主存數據寄存器的內容裝入指令寄存器，同時對程序計數器“增1”。
可見，取指令這個節拍要花費3個時鐘周期。對現代計算機來說，每個時鐘周期非常短。例如對主頻為3.3GHz的CPU，每秒將完成33億個時鐘周期，每個時鐘周期的時間長度為0.303ns，而取指令節拍將花費0.909ns。
在後一個節拍完成後，復位指令周期，從取指令節拍重新開始運行，此時，程序計數器的內容已被自動修改，指向下一條指令所在的主存地址。操作指令和數據移動指令的執行不會主動修改程序計數器的值，程序計數器將會自動指向程序順序上的下一條指令。而控制指令的執行將會主動改變程序計數器的值，使得程序的執行將不再是順序的。
圖59程序在主存中的存儲形式以圖57的程序為例來理解CPU的工作過程。假設這段程序存放在主存中的排列形式如圖59所示。要開始執行這段代碼時，將會由操作繫統將程序計數器的值設為A0，在取指令階段將該地址的指令“mov #0, R0”取出存入指令寄存器，同時程序計數器“增1”為A1。mov指令經譯碼後，在控制下將寄存器R0置為0。此時指令執行結束，復位，從取指令重新執行——根據程序計數器的值A1取下一條指令。該過程將一直執行到ble指令。該指令執行完後，將會對程序計數器進行覆蓋，將loop對應的指令地址寫入程序計數器，使得下一條指令將不再是順序執行的，而是跳轉到loop指令開始執行。當條件滿足時，ble指令的執行不修改程序計數器的值，此時，將取halt指令開始執行。
5.2.2存儲繫統
計算機繫統中的存儲器一般分為主存(又稱為內存)和輔存(又稱為外存)，主存可與CPU直接進行信息交換，其特點是運行速度快，容量相對較小，在繫統斷電後，其保存的內容會丟失。輔存屬於外部設備的範疇，如硬盤、光盤等，它們通過各種專門接口與計算機通信。輔存與CPU之間不能直接交換數據，其特點是存儲容量大，存取速度比主存慢，繫統斷電後其保存的信息不會丟失，存儲的信息很穩定。
主存儲器的一般結構如圖510所示，包括用於存儲數據的存儲體和外圍電路，外圍電路用於數據交換和存儲訪問控制，與CPU或高速緩存連接。外圍電路中有兩個非常重要的寄存器——數據寄存器MDR(Memory Data Register)和地址寄存器MAR(Memory Address Register)，前者是用於臨時保存讀出或寫入的數據，後者用於臨時保存訪問地址。要訪問主存時，首先將要訪問的地址送入MAR，如果是讀主存，則在控制電路控制下，將MAR指向的數據送入MDR，然後發送到CPU或高速緩存;如果是寫主存，則首先要將需寫入的數據送到MDR，在控制電路控制下，將MDR數據寫入到MAR指向的。
圖510主存儲器的結構
主存中存儲的是一個01符號串，可以代表數字、字符等信息。存儲器由很多可存放長度(位數)相同的01符號組成，稱為，每個有一個編號，這個編號就是主存地址。主存地址用二進制數來表示，如果表示地址的二進制數有m位，則主存地址可編碼到2m-1(從0開始編碼)，也就是說多可以有2m個，稱為存儲容量。可以通過主存地址來對存放的01符號串進行讀寫，這種讀寫操作通常被稱為訪問主存。訪問主存時可根據地址獨立地數據進行讀寫，訪問時間與被訪問地址無關，因此，主存又稱為隨機訪問存儲器(Random Access Memory，RAM)。為了規整化，的長度一般標準化為8位，即一個字節(Byte)，再由字節組合成字。
主存中存儲電路的原理類似於電容，主存中通過對電路進行充電來存儲信息，但是這很容易流失，因此，需要在很短的時間內不斷地充電，稱為刷新。采用這種技術的主存又稱為動態存儲器(Dynamic RAM)。
根據存儲能力與電源的關繫可將主存分為易失性存儲器和非易失性存儲器，計算機繫統主存一般都包含這兩類存儲器。前者指的是當電源供應中斷後，存儲器所存儲的數據便會消失的存儲器，如RAM、DRAM等，斷電後保存的信息將會丟失。後者指即使電源供應中斷，存儲器所存儲的數據並不會消失，重新供電後，就能夠讀取其中數據的存儲器，如隻讀存儲器(ReadOnly Memory，ROM)等，斷電後保存的信息不會丟失，ROM也可隨機訪問。在現代計算機繫統的主存中，一般都包含這兩種存儲器。
除主存容量外，主存的另兩個重要指標是存儲器訪問時間和存儲周期。存儲器訪問時間指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。具體講，從一次讀操作命令發出到該操作完成，將數據讀入數據寄存器為止所經歷的時間。存儲周期指連續啟動兩次獨立的存儲器操作(如連續兩次讀操作)所需間隔的小時間，通常，存儲周期略大於存儲時間。目前，主存訪問速度總比CPU速度慢得多。一次訪問時間大約為5～10ns，比CPU的速度慢很多。
由於電源線的尖峰電壓或被高能粒子衝擊等原因，主存中偶爾也會出錯，即保存的信息在某個瞬間由0變為1或由1變成了0。主存中經常采用檢錯碼或糾錯碼，即在存儲的信息中附加一些位，用於檢測主存是否出錯，其中檢錯碼能檢測出1位或多位錯，而糾錯碼能在檢測出錯誤後將出錯位改回其正確值。以常用的奇偶校驗碼為例，它是在原數據基礎上，附加上1位奇偶校驗位。根據原數據中1的位數來確定校驗位，使整個碼字中1的位數為偶數(或奇數)。當某一位出錯時，造成校驗位將不正確，以此檢測出發生了錯誤。例如，假設字節中保存的信息為11100101，該數有5個1，為奇數，如果采用偶校驗，則校驗位應為1;如果采用奇校驗，校驗位為0。當該字節被讀出時，會再次對原有的8位進行判定，如果某1位由1變成0或由0變成1，則計算出的奇偶校驗與原校驗位不符，表示發生了錯誤。至於要進行糾錯，則需要更復雜和強大的編碼。
圖511典型的高速緩存配置一直以來，CPU的速度總比主存訪問速度快。雖然隨著工藝水平的提高，主存的訪問速度也在不斷提高，但是仍然趕不上CPU速度的提高。CPU發出訪問主存請求後，往往要等多個時鐘周期後纔能得到主存內容。存儲器越慢，CPU等待的時間就越長。目前，技術上的解決辦法是利用更小更快的存儲設備與大容量低速的主存組合使用，以適中的價格得到速度和高速存儲器差別不大的大容量存儲器。
這種更小更快的存儲設備稱為高速緩存存儲器(Cache)，簡稱為高速緩存。高速緩存邏輯上介於CPU和主存之間，可以將其集成到CPU內部，也可置於CPU之外。圖511給出了一種典型的高速緩存配置方式。位於CPU

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