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Ch01
- 3. 3 大綱 ? 1.1電腦硬體 ? 1.2電腦軟體 ? 1.3程式語言 ? 1.4C 語言簡介
- 4. 4 大綱 ( 續 ) ? 1.5程式開發流程與編譯器 ? 1.6本章回顧及下章預覽
- 5. 5 1.1 電腦硬體 ? 電腦硬體就是您可以看到的電腦設備（拆開外 殼），不過若光是這樣形容電腦硬體未免過於簡 單。實際上，若從功能面加以區分，可將電腦硬 體分為 5 大單元（如下圖）， 5 個單元分別負責 不同的工作。
- 6. 6 ? 算數邏輯單元（簡稱 ALU ）是執行程式中 各類運算的實體單位。這些運算則可以分 為兩大類：算數運算與邏輯運算。算數運 算包含加、減、乘、除等等的數值運算， 而邏輯運算則包含 AND 、 OR 、 NOT 、 移位等位元／位元組的邏輯運算。 1.1.1 算數邏輯單元
- 7. 7 1.1.2 控制單元 ? 控制單元（簡稱 CU ）的功能為控制流程及 協調輸入、輸出、記憶、算數邏輯等 4 大 單元的運作。控制單元中包含 (1) 記錄指令 運作順序的微程式（ microprogram ）、 (2) 取得下一指令的邏輯電路 (3) 驅動元件 的解碼器（ decoder ）及 (4) 眾多選擇器 （ multiplexer ）。
- 8. 8 1.1.3 記憶體單元 ? 記憶體單元分為主記憶體 (main memory) 與輔助記憶體 (secondary memory) ，主要 功能是用來儲存資料 ?主記憶體（又稱為內部記憶體），目前以半導 體元件制成，特性為存取速度快、成本高。主 記憶體依照存取特性又可以分為隨機存取記憶 體 (Random Access Memory ；簡稱 RAM) 及 唯讀記憶體 (Read Only Memory ；簡稱 ROM) 。
- 9. 9 1.1.3 記憶體單元 ? RAM 的成本較低，但是無法於電力消失時保存資料， 故為揮發性記憶體的一種。 ROM 成本較高，但卻可以 在無電力的狀況下保存資料，傳統的 ROM 只能寫入資 料一次，因此通常只會把啟動電腦所需要的小程式儲 存在 ROM 裡面，例如 BIOS 就是使用 ROM 做為記憶 體。 ? 輔助記憶體（又稱為外部記憶體），目前以磁性物體 或光學材料組成，例如：硬碟機、軟碟片、光碟片。 輔助記憶體的存取速度相對於主記憶體慢了數十倍以 上，但製作成本則比主記憶體低了數十倍以上，因此 適合儲存大量的資料。
- 12. 12 ? 電腦軟體分為資料與程式兩大類，事實上不論是 哪一類，都是以 0 、 1 的二位元表示法儲存在電 腦設備中（例如：儲存於硬碟機中）。 ? 而程式又可以分為系統程式（ System Program ）與應用程式（ Application Program ） 。 ? 系統程式一般為較接近硬體底層的低階程式，例如： 作業系統 (Operating System) 、編譯程式 (Compiler) 、組譯程式 (Assembler) ，連結程式 (Linker) 等都屬於系統程式。 ? 應用程式則是架構在系統程式之上，依據某種特殊需 求而開發出來的軟體，例如： Office 、帳務系統、電 腦遊戲等等。 1.2 電腦軟體
- 13. 13 1.3 程式語言 ? 語言的用途是做為人與人溝通的橋樑，例 如：和美國人交談就要用英文溝通。同樣 地，人若要和電腦溝通的話，就必須使用 電腦『懂』的語言，這種語言稱為程式語 言（ Programming Language ）。而一般 我們用來與人溝通的語言則稱為自然語言 （ Natural Language ）。
- 14. 14 1.3 程式語言 圖 1-6 程式语言分类
- 15. 15 ? 機器語言（ Machine Language ）是電腦 硬體唯一看得懂的語言，換句話說，機器 語言就是一連串的 0 、 1 二進位數字組合 ，因此又稱為機器碼。一般人通常看不懂 這些 0 、 1 所代表的特殊涵義，其實對於 電腦而言，這些 0 、 1 的組合數字，可能 代表某種資料，也可能代表某個指令。由 於大多數的人無法了解或記憶這一連串 0 、 1 數字所代表的涵義，因而發展了低階 語言與高階語言。 1.3.1 機器語言
- 16. 16 1.3.2 低階語言 ? 低階語言（ Low-level Language ）是一種 接近於機器語言的表示方法，不過卻使用 人類比較容易記憶的單字形式來對應一連 串的 0 、 1 組合。最典型的低階語言就是 組合語言（ Assembly Language ）。在組 合語言中，使用運算子與運算元來表示一 連串的 0 、 1 組合，而這些運算子則使用 類似英文的縮寫以利人類的記憶與理解， 例如：使用 INC 來代表 Increment （累加 指令）。
- 17. 17 1.3.2 低階語言 ( 續 ) ?在上表中，很明顯的可以看出，組合語言的指 令與機器語言的指令是一對一的對應關係，但 是卻比機器語言容易記憶，除此之外，其他組 合語言的設計都與機器語言的設計相同，我們 可以從下表中更明確地看出兩者的相同與相異 處： 8051 機器語言指令 8051 組合語言指令 意義 00000100 INC 執行累加 1 10000100 DIV 執行除法 8051 組合語言指令與機器語言指令的對應
- 18. 18 ? 組合語言與機器語言一對一的特性，使得 組合語言可以完全掌控電腦的硬體結構， 如此一來，在執行效率上自然也就完全交 由程式設計師決定。不過，由於不同的 CPU 必須使用不同的組合語言並且必須對 於該 CPU 的組織結構有充分認知，因此， 這種低階語言仍舊無法被絕大多數的人所 接受，因而發展了更接近於人類自然語言 的高階語言。 1.3.2 低階語言 ( 續 )
- 19. 19 ? 組合語言雖然比機器語言更接近於自然語言，但 組合語言的程式設計師必須對於執行程式的處理 器有更多的了解，並且每個處理器的組合語言並 不相同，因此，一種比組合語言更接近自然語言 且不因更換機器而改變語法的程式語言也被發展 出來，此種語言就是高階語言。 ? 高階語言（ High-level Language ）使用更接近人 類思維的方式來設計程式，當程式設計完成之後 ，必須通過另外一些翻譯程式的翻譯後才能夠被 電腦執行。高階語言的運算子通常具有比較強大 的功能，因此，單一行的高階語言程式可能被翻 譯成許多的機器碼以便完成複雜的工作。 1.3.3 高階語言
- 20. 20 ? 編譯式語言 ?編譯器採用整批作業（ Batch ）方式來處理程 式翻譯的工作，換句話說，當我們將程式設計 完畢並交由編譯器翻譯之後，編譯器會將翻譯 結果存成一個目的檔（ object file ），而這個 目的檔可經由連結其他目的檔及程式庫之後形 成可執行檔（ execute file ），並由電腦直接執 行。常見的編譯式語言有 C 、 C++ （編譯器為 gcc 、 g++ 、 VC+ + 、 BCB ）、 Pascal 、 Object Pascal （編譯 器為 Delphi 、 Kylix ）等等。 1.3.3 高階語言 ( 續 )
- 21. 21 1.3.3 高階語言 ( 續 ) ? 編譯式語言 ? 編譯式語言使用模組化技巧，也就是把某些具有特殊 功能的片段程式獨立成一個個的函式，並將之集合成 一個函式庫檔案，如此一來，就可以讓需要使用該功 能的程式透過連結的方式加以結合，縮短撰寫程式的 時間。例如： ANSI-C 的 math 函式庫中就包含許多求 三角函數的函式，所以我們並不需要自行撰寫求三角 函數的詳細步驟，只要在需要求三角函數值時，引用 Math 函式庫即可。一個基本編譯式語言的程式處理流 程如下圖。
- 22. 22 1.3.3 高階語言 ( 續 ) 編譯式語言的程式處理流程
- 23. 23 1.3.3 高階語言 ( 續 ) ? 直譯式語言 ? 直譯器與編譯器處理程式的步驟不同，當我們使用直 譯式語言撰寫程式完畢並使用直譯器來翻譯程式時， 並不會產生目的檔或可執行檔。直譯器會將程式一行 一行的讀入，逐行翻譯並送交由電腦執行，因此，每 一次要執行編譯式語言程式時，都必須啟動直譯器來 重新翻譯程式。 直譯式語言的程式處理流程
- 24. 24 1.4 C 語言簡介 ? C 語言與 C++ 語言有著奧妙的關係，因此有人說 ， C++ 是 C 語言的延伸，也有人說， C++ 是一 種全新的語言。這兩種說法都算正確，因為 C+ + 是使用基本的 C 語言語法，但 C++ 更重要的是 一種全新的物件導向觀念。在本節中，我們將分 別介紹這兩種語言的特色與歷史背景。 ? C 語言是在 70 年代，由貝爾實驗室的 Ken Thompson 與 Dennis Ritchie 共同發展的一套電 腦語言，該版本稱為 K & R C 。之後美國國家標 準協會（ ANSI ）於 1983 年將 C 語言標準化， 制訂出一套標準的 C 語言，稱為 ANSI-C （於 1988 年完成制定）。
- 25. 25 ?C 語言的發展歷史有其特殊背景， C 語言原本 不叫做 C 語言，而是另一種程式語言 B 語言， Ken Thompson 與 Dennis Ritchie 兩人為了設 計 UNIX 作業系統，因此將 B 語言加以延伸為 C 語言，由於具有容易開發、效率高及可操控 硬體等特性，因此同樣是由貝爾實驗室所發展 的 UNIX 系統，系統核心的大部分程式碼都是 使用 C 來撰寫，並且在 UNIX 作業系統中的公 用程式及 C 語言的編譯器也是由 C 所撰寫的。 1.4 C 語言簡介 ( 續 )
- 26. 26 ? 命令式型態程式語言（ Imperative Paradigm Programming Language ） ?命令式型態的程式語言是透過一連串指定敘述 (assign statement) 組合而成，指定敘述是表示 式 (expression) ，將一些子運算式加以組合， 只要依序執行這些敘述就可以得到結果， C 語 言是一種命令式型態的程式語言，其他諸如 BASIC 、 Pascal 、 FORTRAN 、 COBOL 等 也都屬於此類程式語言。 1.4 C 語言簡介 ( 續 ) x=x+1;
- 27. 27 ? 結構化程式語言 (Structural Programming Language) ?C 語言是一種結構化程式語言，也就是採用結 構化分析設計的方法，將問題由上向下，由大 到小切割成許多子問題，分別尋得子問題的解 答，最後再結合起來解決所要解決的問題。這 種方法，也可以稱為模組化設計。解決子問題 的方法被分成一個個的模組，在 C 語言中則稱 為函式。在 C 的程式設計中，程式設計師必須 設計並組合這些函式來解決問題。 1.4 C 語言簡介 ( 續 )
- 28. 28 1.5 程式開發流程與編譯器 ? 開發 C 語言程式完成後，必須經過編譯才 能夠被執行，在附錄中，我們列出了許多 可以編譯 C 語言的編譯器，除此之外，在 本節中，我們也將針對 C 語言編譯器的基 本觀念加以說明，建立一些關於 C 語言編 譯器的基本觀念。
- 29. 29 1.5.1 C 語言程式的開發流程 ? 開發任何編譯式語 言程式都有一定的 流程（如右圖）， 開發 C 語言的應用 程式也同樣可以透 過下圖流程加以完 成。 C 語言程式開發流程
- 30. 30 1.5.1 C 語言程式的開發流程 ( 續 ) ? Step1 ： ? 編輯與設計程式，您可以使用任何的純文字編輯器來編輯 C/C++ 程式（例如： Windows 的筆記本、 Linux 的 Vim 或 pico 等等），然後存成副檔名為『 .c 』與『 .cpp 』的原始程 式檔，其中純 C 語言程式可存檔為『 .c 』，而包含 C++ 語法 或函式庫的程式則存檔為『 .cpp 』。 ? Step2 ： ? 使用編譯器來編譯原始程式（例如： GCC 的 gcc/g++ ），編 譯結果將是一個目的檔案（ object file ）。 ? Step3 ： ? 使用連結器將目的程式及其他目的程式與程式庫共同連結成一 個可執行檔，目前大多數的編譯器都具有連結器的功能。 ? Step4 ： ? 不論您是在編譯過程或連結過程中發生錯誤或甚至是程式本身 的邏輯出現錯誤而無法達到程式需求時，都必須進入偵錯階段 ，重新檢查並修正原始程式中的錯誤。如此週而復始，直到程 式完成您的需求為止。
- 31. 31 1.5.2 編譯器 (Compiler) 【補 充】 ? 傳統編譯器的功能是將原始程式轉換為目的碼 （如下圖為 C 語言編譯器的工作），目的碼中則 包含了機器指令、資料值及相關位址。就程式設 計師而言，設計高階語言程式比較不需要考慮程 式執行的機器平台，只要在不同的硬體結構，使 用不同的編譯器產生適合於該平台的目的碼即可 。 圖 1-11 C 語言編譯器的工作
- 32. 32 1.5.2 編譯器 (Compiler) 【補 充】 ? 編譯器的工作主要分為下列 5 個階段，並 透過符號表記錄程式中相關的名稱。 編譯器的處理流程
- 33. 33 1.5.3 整合開發環境 (IDE) ? 傳統的編譯程式開發流程有些繁複，程式設計師 必須先用文書編輯器撰寫原始程式檔，然後再交 由編譯器、連結器將原始程式檔編譯為具有除錯 功能的可執行檔，最後經過除錯無誤後，才重新 編譯連結為最終的可執行檔。不過這個流程通常 不會一次就完成，因為程式可能發生語法、語意 等錯誤，而必須在編輯器、編譯器、除錯器間切 換許多次，才能夠得到最後正確的原始程式與執 行檔。
- 34. 34 1.5.3 整合開發環境 (IDE) ( 續 ) ? 整合開發環境（ Integrated Development Environment ；簡稱 IDE ）是一套整合性軟體， 它將編輯器、編譯器、連結器、除錯器、執行程 式等功能整合在同一套軟體之內，以方便程式設 計師開發程式之用。 ? 目前大多數的視窗程式整合開發環境除了提供上述功 能之外，還提供了許多的視窗套件供程式設計師使用 （這些套件也都被整合在 IDE 之中）。例如： Borland 公司所推出的 Builder C++ Builder 就是一套包含許多 元件的視窗程式整合開發環境。
- 35. 35 1.5.3 整合開發環境 (IDE) ( 續 ) Microsoft Visual C++ 6.0 圖
- 36. 36 1.5.3 整合開發環境 (IDE) ( 續 ) ? 【編譯器與整合開發環境】 ?由於整合開發環境已經包含了編譯器的功能，因 此我們常常會用整合開發環境的名稱作為編譯器 的名稱，例如 Microsoft Visual C++ 6.0 是一個整 合開發環境，但我們也可以稱它為一種編譯器， 因為它同樣具有編譯器的功能。但反之則較為不 當，例如 GCC 只具有編譯器的功能，而未將編 輯器等其他功能納入，因此，我們只會稱 GCC 為一種編譯器，而不會稱 GCC 為整合開發環境 。
- 37. 37 1.5.3 整合開發環境 (IDE) ( 續 ) ? 【 C 語言與 C++ 語言的編譯器】 ?除了少數的古老編譯器（例如 Turbo C ）之 外，大部分的程式設計師都使用 C++ 編譯器 來編譯 C 語言程式，因為， C++ 本身已經 包含了所有的 C 語言程式語法。在本書的附 錄中，我們介紹了非常多種類的 C++ 編譯器 ，在本章中，我們只簡單示範、 Dev C++ 及 Microsoft Visual C++ 6.0 整合開發環境。
- 38. 38 1.6 本章回顧及下章預覽 ? 在本章中，我們介紹了組織電腦系統的兩大元件 ，分別是硬體與軟體。其中軟體可以分為程式與 資料，而程式又可以分為系統程式與應用程式。 使用 C 語言不但可以開發應用程式，甚至連系統 程式也可以使用 C 語言來開發，例如 Unix 作業系 統就是其中一例。
- 39. 39 1.6 本章回顧及下章預覽 ( 續 ) ? 使用 C 語言開發程式最大的優點就是程式效率高 ，而且 C 語言又比組合語言更容易撰寫，因此獲 得眾多程式設計師的喜愛。 C 語言從早期的 K & R C 演變為 ANSI C 標準，使得眾多編譯器有了 依循的標準，這同時使得 C 語言的可攜性得以提 高。 ? C 語言的原始程式是副檔名為『 .c 』的純文字檔 ，它必須經過編譯器、連結器的處理才能夠變成 可執行檔。目前大多數的編譯器都具備了連結器 的功能，以及某些在正式編譯前的前置處理功能 ，而這些額外功能其實都可以在編譯器的設定中 加以指定。
- 40. 40 1.6 本章回顧及下章預覽 ( 續 ) ? C 語言後來被衍生發展為 C++ 程式語言（加入了 物件導向技術），因此目前大多數的編譯器都是 C++ 的編譯器，但由於 C++ 包含了所有的 C 語法 ，因此，我們也可以使用 C++ 編譯器來編譯 C 語 言程式，或甚至將原始程式儲存為 C++ 程式檔 （副檔名為『 .cpp 』）。 ? 在本章中，我們實際練習了如何使用整合開發環 境來開發 C 語言程式，但我們並不了解所輸入 C 語言程式有何用途，這些 C 語言敘述的實際功能 ，我們將從下一章開始陸續學習。
- 41. 41 本章習題