第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)科學(xué)計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用系二零零八年一月幻燈內(nèi)容部分接受寧波高?；脽舫晒己似匠Ｗ鳂I(yè)+考勤期中考試期末考試第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)——Computer如何正確理解“計(jì)算機(jī)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)呢？凡是能完成以下三類(lèi)工作的機(jī)器就是計(jì)算機(jī)：①能接受程序和數(shù)據(jù)的輸入，并存儲(chǔ)起來(lái)；②能依據(jù)存儲(chǔ)的程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理并得出結(jié)果；③能把結(jié)果輸出。所以，計(jì)算機(jī)是一種能夠接收信息，存儲(chǔ)信息，并依據(jù)存儲(chǔ)在其內(nèi)部的程序(這些程序是人們意志的體現(xiàn))對(duì)輸入的信息進(jìn)行加工、處理，得到人們所期望的結(jié)果，然后把處理結(jié)果輸出的高度自動(dòng)化的電子設(shè)備。1.1計(jì)算機(jī)的構(gòu)成1.1.1計(jì)算機(jī)硬件和軟件的概念1.1.2計(jì)算機(jī)的硬件1.1.3計(jì)算機(jī)程序、指令和語(yǔ)言1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3計(jì)算機(jī)的分類(lèi)和應(yīng)用1.3.1計(jì)算機(jī)的分類(lèi)1.3.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

1.4計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)1.4.1計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1.4.2計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.5.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1.5.2微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.5.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.1.1計(jì)算機(jī)硬件和軟件的概念

硬件(Hardware)，是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際裝置的總稱(chēng)。它可以是電子的、電的、磁的、機(jī)械的、光的元件或裝置，或由它們組成的計(jì)算機(jī)部件或整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、限制器和存儲(chǔ)器五部分組成。計(jì)算機(jī)軟件是指在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的各種程序以及有關(guān)的文檔資料，例如操作系統(tǒng)、匯編程序、編譯程序、診斷程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、專(zhuān)用軟件包、各種維護(hù)運(yùn)用手冊(cè)、程序流程圖和說(shuō)明等。1.1.2計(jì)算機(jī)的硬件

計(jì)算機(jī)的硬件是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置,它們是由各種實(shí)實(shí)在在的器件組成的,是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和限制器五部分組成。1.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備（inputequipment）的功能是從計(jì)算機(jī)外部把信息和處理這些信息的程序通過(guò)輸入接口輸入到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。鍵盤(pán)(keyboard)和鼠標(biāo)器(Mouse)是最常用的輸入設(shè)備。其它輸入設(shè)備還有：掃描儀(scanner)、數(shù)字化儀(digitizer)、光筆(lightpen)、條形碼掃描器(barcodescanner)、觸摸屏、各種模－數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼相機(jī)等。

⒉輸出設(shè)備和外圍設(shè)備

輸出設(shè)備（outputequipment）的功能是用來(lái)輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果。最常用的輸出設(shè)備是顯示器(display)和打印機(jī)(printer)，還有繪圖儀(plotter)、X-Y記錄儀、音箱、各種數(shù)－模(D/A)轉(zhuǎn)換器等。I/O設(shè)備屬于外圍設(shè)備，但外圍設(shè)備除I/O設(shè)備外，還應(yīng)包括外存儲(chǔ)器設(shè)備、多媒體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和輸入輸出處理機(jī)等。外圍設(shè)備分類(lèi)見(jiàn)下圖。

⒊存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(Memory)是計(jì)算機(jī)用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件,是計(jì)算機(jī)各種信息存放和溝通的中心。它的基本功能是在限制器的限制下依據(jù)指定的地址存入和取出信息。存儲(chǔ)器可分為內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存與外存。內(nèi)存是由中心處理器干脆訪問(wèn)的存儲(chǔ)器,它存放著現(xiàn)在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù),也可以存儲(chǔ)計(jì)算的結(jié)果或中間結(jié)果。由于其干脆和運(yùn)算器、限制器交換信息,因此要求存取速度快,但存儲(chǔ)容量較小。外存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱(chēng)“外存”，是主機(jī)的外圍設(shè)備，用來(lái)存儲(chǔ)大量的短暫不參與運(yùn)算或處理的數(shù)據(jù)和程序,因而允許速度較慢。⒋運(yùn)算器運(yùn)算器（arithmeticunit）的功能是在限制器的指揮下,對(duì)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算,包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,所以在其內(nèi)部有一個(gè)算術(shù)邏輯部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。功能:⑴實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。⑵短暫存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和某些中間運(yùn)算結(jié)果。 ⑶選擇參與運(yùn)算的數(shù)據(jù),選中要執(zhí)行的運(yùn)算功能,并把運(yùn)算結(jié)果輸出到所要求的部件中。⒌限制器限制器(control)：它指揮計(jì)算機(jī)各部件依據(jù)指令功能的要求進(jìn)行所須要的操作。主要功能：從存儲(chǔ)器中取出指令,說(shuō)明指令的操作碼和地址碼，并依據(jù)譯碼,產(chǎn)生一系列的限制信號(hào),去限制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)地工作,并限制程序的執(zhí)行依次。因此,限制器的主要工作是不斷地取指令、分析指令和執(zhí)行指令。中心處理器CPU主要包括：運(yùn)算器、限制器、總線和時(shí)鐘等部件,計(jì)算機(jī)的主機(jī)則由CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器組成。在微機(jī)中運(yùn)用的CPU也稱(chēng)為微處理器。1.1.3計(jì)算機(jī)程序、指令和語(yǔ)言1.程序計(jì)算機(jī)程序(Program)是用某種特定的符號(hào)系統(tǒng)(指令或語(yǔ)言)對(duì)被處理的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)算法的過(guò)程進(jìn)行的描述。2.指令指令(Instruction)是指揮計(jì)算機(jī)如何工作的吩咐，它通常由一串二進(jìn)制數(shù)碼組成，即由操作碼和地址碼兩部分組成。3.計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（computerlanguage）指的是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分為三種類(lèi)型：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。⑴機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言（machinelanguage）是一種二進(jìn)制語(yǔ)言，它是用二進(jìn)制代碼表示的機(jī)器指令來(lái)描述的。用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序就是用機(jī)器指令來(lái)描述所求解問(wèn)題的過(guò)程和步驟，這樣的程序稱(chēng)為機(jī)器語(yǔ)言程序，或稱(chēng)二進(jìn)制語(yǔ)言程序。⑵匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言（assemblerlanguage）和機(jī)器語(yǔ)言基本上是一一對(duì)應(yīng)的，但在表示方法上作了根本性的改進(jìn)，用一種助記符來(lái)代替操作碼，用符號(hào)來(lái)表示操作數(shù)地址(地址碼)，這些助記符通常運(yùn)用指令功能英文單詞的縮寫(xiě)，以便于記憶。⑶高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言（high-levellanguage）是面對(duì)問(wèn)題的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，高級(jí)語(yǔ)言種類(lèi)很多，常用的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、C、PASCAL、BASIC、LISP、LOGO、PROLOG和Java等。高級(jí)語(yǔ)言的獨(dú)創(chuàng)是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上最驚人的成就之一，使得非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)，大大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和普及。VisualBasic、VisualC、Delphi等是面對(duì)對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，充分體現(xiàn)了面對(duì)對(duì)象技術(shù)，是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的將來(lái)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。軟件又分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可用右圖來(lái)表示。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的示意圖中，我們可以看到⑴指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件和軟件的接口；⑵操作系統(tǒng)是用戶和計(jì)算機(jī)硬件的接口，用戶操作計(jì)算機(jī)干脆面對(duì)的是操作系統(tǒng)，是和操作系統(tǒng)打交道，操作系統(tǒng)是用戶的操作平臺(tái)； ⑶只有硬件沒(méi)有軟件的機(jī)器(裸機(jī))是不能工作的。1.3.1計(jì)算機(jī)的分類(lèi)⑴按處理的信息形式分：數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)。用脈沖編碼表示數(shù)字，處理的是數(shù)字信息，這類(lèi)計(jì)算機(jī)是數(shù)字計(jì)算機(jī)；處理長(zhǎng)度、電壓、電流等模擬量的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為模擬計(jì)算機(jī)。⑵按字長(zhǎng)分：可分為8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)等。⑶按結(jié)構(gòu)分：可分為單片機(jī)、單板機(jī)、多芯片機(jī)與多板機(jī)。⑷按用途分：可分為工業(yè)限制機(jī)與數(shù)據(jù)處理機(jī)等。⑸按規(guī)模分：可分為巨型機(jī)、小巨型機(jī)、大中型機(jī)、小型機(jī)、工作站和微型機(jī)(PC機(jī))六類(lèi)。1.3.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍，按其應(yīng)用特點(diǎn)，可以分為以下幾個(gè)方面:1.科學(xué)計(jì)算2.數(shù)據(jù)處理3.過(guò)程限制4.計(jì)算機(jī)協(xié)助系統(tǒng)5.計(jì)算機(jī)通信1.4.1計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1.通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)⑴處理速度快⑵計(jì)算精度高⑶記憶實(shí)力強(qiáng)⑷牢靠的邏輯推斷實(shí)力⑸牢靠性高，通用性強(qiáng)由于接受了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，計(jì)算機(jī)具有特別高的牢靠性，可以連續(xù)無(wú)故障地運(yùn)行幾個(gè)月甚至幾年?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)不僅可用來(lái)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，也可用于數(shù)據(jù)處理、工業(yè)實(shí)時(shí)限制、協(xié)助設(shè)計(jì)和協(xié)助制造、辦公自動(dòng)化等，通用性特別強(qiáng)。2.微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)微型計(jì)算機(jī):除了具有計(jì)算機(jī)的一般特點(diǎn)外，還具有以下一些特點(diǎn)。⑴體積小，重量輕⑵價(jià)格便宜，成本低。⑶運(yùn)用便利，運(yùn)行牢靠⑷對(duì)工作環(huán)境無(wú)特殊要求1.4.2計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)有下面幾項(xiàng)：⑴主頻:主頻即時(shí)鐘頻率，是指計(jì)算機(jī)的CPU在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)。主頻的單位是兆赫茲(MHz)，如486DX/66的主頻為66MHz，Pentium/100的主頻為100MHz，PⅡ/233的主頻為233MHz，PⅢ的主頻有450MHz、500MHz、733MHz等，P4的主頻在1GHz以上。⑵字長(zhǎng):是指計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件能同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位.字長(zhǎng)也影響機(jī)器的運(yùn)算速度，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越快。

⑶存儲(chǔ)容量：計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)的信息總字節(jié)量。字節(jié)(Byte，簡(jiǎn)寫(xiě)為B)是作為一個(gè)單位來(lái)處理的一串二進(jìn)制數(shù)位，通常以8個(gè)二進(jìn)制位(bit)作為一個(gè)字節(jié)。每1024個(gè)字節(jié)稱(chēng)為1K字節(jié)(1KB)。存儲(chǔ)容量的單位還有MB（兆字節(jié)）、GB（吉字節(jié)）和TB（太字節(jié)）。它們之間的關(guān)系是：1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B=1048576B1GB=1024MB=230B=1973741824B1TB=1024GB=240B=1099511627776B⑷存取周期：連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的“讀”或“寫(xiě)”操作(如連續(xù)的兩次“讀”操作)所需的最短時(shí)間。“寫(xiě)”：把信息代碼存入存儲(chǔ)器“讀”：把信息代碼從存儲(chǔ)器中取出訪問(wèn)時(shí)間(或讀寫(xiě)時(shí)間)：存儲(chǔ)器進(jìn)行一次“讀”或“寫(xiě)”操作所需的時(shí)間。⑸運(yùn)算速度：是一項(xiàng)綜合性的性能指標(biāo)。衡量計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的單位是MIPS(百萬(wàn)條指令/秒)。影響機(jī)器運(yùn)算速度的因素很多，主要是CPU的主頻和存儲(chǔ)器的存取周期。衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)除上面列舉的五項(xiàng)主要指標(biāo)外，還應(yīng)考慮機(jī)器的兼容性(包括數(shù)據(jù)和文件的兼容、程序兼容、系統(tǒng)兼容和設(shè)備兼容)，系統(tǒng)的牢靠性(平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF，MeanTimeBetweenFailures)，系統(tǒng)的可維護(hù)性(平均修復(fù)時(shí)間MTTR，MeanTimetoRepair)，機(jī)器允許配置的外部設(shè)備的最大數(shù)目，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的漢字處理實(shí)力，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功能等。性能/價(jià)格比是一項(xiàng)綜合性評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的指標(biāo)。1.5.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)是在1946年由美國(guó)的物理學(xué)家莫奇利(JohnMauchly)博士和?？颂夭┦?J.PresperEckert)等人在賓夕法尼亞高校設(shè)計(jì)制造的。起名叫ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)，ENIAC的誕生，為計(jì)算機(jī)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，它在美國(guó)陸軍彈道探討所運(yùn)行了約十年，始終工作到1955年。兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是存儲(chǔ)容量太小二是準(zhǔn)備時(shí)間太長(zhǎng)。 世界上第一臺(tái)具有存儲(chǔ)程序功能的計(jì)算機(jī)叫EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，譯作“埃德瓦克”)，它是由曾擔(dān)當(dāng)ENIAC小組顧問(wèn)的著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼(Von·Neumann)博士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)的。馮·諾依曼提出的存儲(chǔ)程序和程序限制的理論，及他首先確立的計(jì)算機(jī)硬件由輸入部件、輸出部件、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、限制器五個(gè)基本部件組成的基本結(jié)構(gòu)和組成的思想，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，整個(gè)四代計(jì)算機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，世人也稱(chēng)馮·諾依曼為“計(jì)算機(jī)鼻祖”。

世界上第一臺(tái)投入運(yùn)行的存儲(chǔ)程序式的電子計(jì)算機(jī)是EDSAC(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator，譯作“埃德沙克”)，該機(jī)于1949年5月制成并投入運(yùn)行，比EDVAC早一年多。 從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)的發(fā)展道路，現(xiàn)在正在向智能計(jì)算機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的方向發(fā)展。

以計(jì)算機(jī)所接受的元器件劃分計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段20世紀(jì)40年頭末到50年頭中期的計(jì)算機(jī)都是接受電子管元件組成的,此時(shí)計(jì)算機(jī)稱(chēng)為第一代計(jì)算機(jī),也就是電子管時(shí)代的計(jì)算機(jī)。20世紀(jì)50年頭中期,晶體管獨(dú)創(chuàng)了,它使計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變更。晶體管很快代替電子管用到計(jì)算機(jī)上，形成了其次代計(jì)算機(jī)，即晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代。20世紀(jì)60年頭中期,半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,制造成功了集成電路,計(jì)算機(jī)也起先接受中小規(guī)模集成電路作為計(jì)算機(jī)的主要元件，故第三代計(jì)算機(jī)又稱(chēng)為中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。1971年起,第四代——大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。這一代計(jì)算機(jī)的體積進(jìn)一步縮小，性能進(jìn)一步提高。計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致分為四個(gè)時(shí)期，大型機(jī)時(shí)期、小型機(jī)時(shí)期、PC機(jī)時(shí)期（或客戶/服務(wù)器、PC/服務(wù)器）時(shí)期和Internet（或以網(wǎng)絡(luò)為中心）時(shí)期。⑴大型機(jī)時(shí)期(1946年—70年頭初)：70年頭