第二章 计算机的语言：指令系统

指令系统是计算机硬件与软件之间的接口，它定义了计算机能够识别和执行的所有基本操作的集合。一个完整的指令系统通常包含以下几类指令：

1. 数据处理指令：用于对数据进行算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非、移位）。
2. 数据传送指令：负责在寄存器、内存和输入/输出设备之间移动数据。
3. 程序控制指令：用于改变程序的执行顺序，包括跳转、调用子程序和返回等指令。
4. 输入/输出指令：管理计算机与外部设备（如键盘、显示器、磁盘）之间的数据交换。

指令的格式通常由操作码和地址码两部分组成。操作码指明要执行的操作，地址码则给出操作所涉及的数据（操作数）的位置或直接值。指令的设计直接影响计算机的性能和编程的灵活性。

第四节 计算机中的数据表示

计算机内部所有信息，无论是数字、文本、图像还是声音，最终都以二进制形式（0和1）表示。理解数据如何被编码是理解计算机工作的基础。

1. 数值数据的表示

• 无符号整数：所有二进制位都用于表示数值大小。
• 有符号整数：最高位用于表示符号（0为正，1为负），其余位表示数值。常用表示法有原码、反码和补码。现代计算机普遍采用补码表示法，因为它统一了加减法运算，且“零”的表示唯一。
• 浮点数：用于表示实数（带小数点的数）。通常采用类似科学计数法的方式，由符号位、阶码（指数）和尾数（有效数字）三部分组成。IEEE 754标准是浮点数表示的通用规范。

2. 非数值数据的表示

• 字符编码：每个字符被赋予一个唯一的二进制代码。最常见的标准是ASCII码（美国信息交换标准代码）和涵盖全球几乎所有文字的Unicode（其常用实现方式是UTF-8）。
• 图像、音频与视频：这些模拟信号需要通过采样和量化转换为离散的数字信号，并以特定的文件格式（如JPEG, MP3, MP4）进行存储和传输。

数据的表示方式决定了计算机能处理的信息范围和精度，也影响着存储和计算的效率。

计算机软件：数据处理服务

硬件提供了执行指令和处理数据的物理基础，而软件则是驱动计算机完成特定任务的程序和数据集合。软件是用户与硬件之间的桥梁，它将用户的需求转化为一系列计算机可以执行的指令。从数据处理服务的视角看，软件系统可分为多个层次：

1. 系统软件：直接管理计算机硬件资源，并为应用软件提供运行环境。核心是操作系统（如Windows, Linux, macOS），它负责进程管理、内存管理、文件系统和设备驱动等。编译器、汇编器、解释器等语言处理程序也属于系统软件，它们将高级语言程序“翻译”成机器能执行的指令。
2. 应用软件：直接面向用户，解决特定领域的问题，提供具体的数据处理服务。例如：

• 办公软件（如WPS, Microsoft Office）：处理文档、表格、演示文稿等数据。

• 数据库管理系统（如MySQL, Oracle）：高效地组织、存储、检索和管理大量结构化数据。

• 多媒体处理软件（如Photoshop, Premiere）：编辑和处理图像、音频、视频数据。

• 科学计算与工程软件：进行复杂的数值分析和仿真。

1. 支撑软件/工具软件：辅助软件开发、维护和管理，如版本控制工具（Git）、集成开发环境（IDE）、测试工具等。

软件通过调用指令系统中提供的各种操作，对以特定格式表示的数据进行处理、转换和呈现，最终为用户提供有价值的服务。理解“指令系统-数据表示-软件服务”这条主线，是掌握计算机工作原理的关键。