簡單地說,計算機指令就是指揮計算機工作的指令和命令,程序就是按一定順序排列的一系列指令,計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。1.指令
計算機中的控制器通過指令指揮機器工作,人用指令表達自己的意圖,交給控制器執(zhí)行。通常一條指令包括兩方面:操作碼和操作數(shù)。操作碼決定了要完成的操作,操作數(shù)表示參與操作的數(shù)據(jù)及其所在的單元地址。
在計算機中,指令以二進制代碼的形式存儲在內(nèi)存中。
在一條指令的執(zhí)行過程中,第一步是對指令進行取指分析,即按照程序指定的順序從內(nèi)存中取出當(dāng)前要執(zhí)行的指令,送入指令寄存器控制器,對取來的指令進行分析,即根據(jù)指令中的操作碼判斷計算機應(yīng)該做什么。二是執(zhí)行指令,即控制器根據(jù)指令分析的結(jié)果,發(fā)出一系列完成運算所需的控制信號,以指揮相關(guān)部件完成本次運算,同時做好準備為下一條指令。2.指令系統(tǒng)
計算機可以執(zhí)行的各種指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。每臺計算機都有自己特定的指令系統(tǒng),其指令內(nèi)容和格式各不相同。
雖然為不同的CPU設(shè)計的指令系統(tǒng)不同,但基本上所有的計算機都包含以下幾類指令:數(shù)據(jù)傳輸指令、輸入輸出(I/O)指令、算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、移位運算指令、程序控制指令、字符串操作指令、處理器控制指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令等。
在計算機指令系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展過程中,出現(xiàn)了兩個完全不同的優(yōu)化方向:復(fù)雜指令集計算機(Complex Instruction Set Computer,CISC)技術(shù);精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer,RISC)技術(shù)。這里的計算機指令是指計算機最底層的機器指令,即CPU可以直接識別的指令。
計算機系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,同時要求指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠使計算機系統(tǒng)的整體性能更快、更穩(wěn)定。最初,人們采用的優(yōu)化方法是設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令,將一些常用的本應(yīng)由軟件實現(xiàn)的功能改成硬件指令系統(tǒng),即通過增加硬件的復(fù)雜度來獲得高性能,這是CISC技術(shù)的思路。
日益復(fù)雜的指令系統(tǒng)不僅難以實現(xiàn),而且可能降低系統(tǒng)的性能。 1979年,以帕特森教授為首的一群計算機科學(xué)家開始在加州大學(xué)伯克利分校開展這項研究。發(fā)現(xiàn)計算機中各種指令的使用率差別很大。 一個典型程序運行過程中使用的80%的指令,在其指令系統(tǒng)中只占20%的指令。事實上,最常用的指令是store、fetch和加法等簡單指令。因此,長期致力于復(fù)雜指令系統(tǒng)的設(shè)計實際上是在設(shè)計一個指令系統(tǒng)在實踐中難以使用的處理器。
RISC 技術(shù)是在1980 年代開發(fā)的。它的基本思想是盡可能地簡化計算機指令的功能,只保留那些功能簡單、可以在一節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行的指令,用子程序?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的功能。3.程序
計算機程序(通常簡稱為程序,在港澳臺地區(qū)稱為程序)是指按照一定的規(guī)則和思想組織起來,能夠正確完成指定任務(wù)的一系列指令?,F(xiàn)在的計算機不能直接理解人類的自然語言,所以不能用自然語言編寫計算機程序。程序通常是用某種編程語言編寫的,并在某種目標(biāo)機器上運行。
編寫程序(即編程,其專業(yè)術(shù)語為“編程”)是一項系統(tǒng)而繁瑣的工作,需要程序員具備相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)知識,更重要的是良好的編程習(xí)慣和風(fēng)格。就像蓋房子一樣,首先需要設(shè)計圖紙,然后才開始施工。
編寫程序的過程包括問題分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、用戶界面設(shè)計、代碼設(shè)計與調(diào)試、維護等。通俗地說,問題分析就是明確程序需要完成什么功能,要達到什么效果。設(shè)計了程序的總體框架;用戶界面設(shè)計是指程序運行時與用戶交互的輸入輸出界面的設(shè)計;代碼設(shè)計是指程序代碼的編寫,然后通過調(diào)試盡可能地消除程序中的錯誤,保證程序的功能性和正確性;對于正在使用的程序,還需要維護以糾正錯誤或升級功能和性能。
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