第一章計算機系統(tǒng)概論-jia

計算機組成原理計算機核心專業(yè)課程賈森信息工程學(xué)院計算機系TEL:26536380Email:senjia@天道酬勤??！主要參考書主教材：計算機組成與結(jié)構(gòu)王愛英

主編參考教材：1．計算機組成原理

白中英科學(xué)出版社2．計算機組成原理王誠清華大學(xué)出版社成績考核方法本課程的考核分為平時作業(yè)成績、實驗成績以及期末考試成績?nèi)蟛糠?，其中期末考試以閉卷筆試為主。總成績按以下公式計算：總成績＝作業(yè)等的成績×15%＋實驗成績×15%＋期末成績×70%課程須知作業(yè)提交請使用作業(yè)本，臨時用一張紙的情況一概不計入平時成績禁止抄襲，一旦發(fā)現(xiàn)，當(dāng)次作業(yè)無效課堂請注意聽講，早做準(zhǔn)備，期末時請不要因為試卷問題與我聯(lián)系，將一概不予理睬目錄第一章 計算機系統(tǒng)概論第三章 運算方法和運算部件

第四、七章 存儲系統(tǒng)

第五章 指令系統(tǒng)

第六章 中央處理器

第十章 輸入輸出系統(tǒng)第一章計算機系統(tǒng)概論計算機的語言簡介計算機的發(fā)展計算機體系結(jié)構(gòu)和組織計算機的硬件結(jié)構(gòu)計算機軟件計算機的層次結(jié)構(gòu)計算機的功能計算機的技術(shù)指標(biāo)1.1用計算機解決實際問題的過程人類相互交流信息所用的語言稱為自然語言，但是當(dāng)前的計算機還不具備理解自然語言的能力，于是人們希望找到一種和自然語言接近，并能為計算機接受的語言，這種語言被稱為計算機的高級語言。從計算機的發(fā)展歷史來看，最初在計算機中使用的不是高級語言，由于它難以理解，使用困難，因而需要改進(jìn)，這樣才導(dǎo)致了高級語言的誕生。常用于科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理的高級語言有：C,BASIC，F(xiàn)ORTRAN，ALGOL，PASCAL，COBOL和Ada等。常用于人工智能的語言有LISP和PROLOG等。用這些語言編寫的程序是由英文字母、數(shù)字、運算符號等按照一定的語法規(guī)則組成的。然而目前的通用計算機不會直接執(zhí)行用高級語言編寫的程序，而是先將其翻譯成機器能執(zhí)行的語言，稱為機器語言(由二進(jìn)制代碼表示的指令組成)，再在機器上運行，因此解題的過程可歸結(jié)為：(1)程序員用高級語言編寫程序；(2)將程序與數(shù)據(jù)輸入計算機，并由計算機將程序翻譯成機器語言程序，保存在計算機的存儲器中；(3)運行程序，輸出結(jié)果。存儲器是計算機中用以存放原始數(shù)據(jù)、程序以及中間運算結(jié)果的設(shè)備，最后的處理結(jié)果也往往先暫時存放在存儲器中，然后再輸送出去。存儲器分成一個個單元，每個單元有自己的編號，稱為該單元的地址。數(shù)據(jù)或指令以二進(jìn)制代碼形式存放在存儲器中。在計算機中能執(zhí)行的程序是由指令組成的，因此計算機執(zhí)行程序的過程，實際上就是按照給定次序執(zhí)行一組指令的過程。一條指令通常分成兩部分：(1)操作碼規(guī)定該指令執(zhí)行什么樣的運算(或操作)，因此被命名為操作碼。(2)地址碼規(guī)定對哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，通常表示的是數(shù)據(jù)地址，因此被稱為地址碼。由于二進(jìn)制碼不易辨認(rèn)，因此往往用符號來表示一條指令。用機器語言編寫程序，比用高級語言麻煩得多，因為一條機器指令的功能比一條高級語言的語句功能弱很多。計算機的發(fā)展1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機1833分析機MARKIENIAC計算機發(fā)展史簡介電子數(shù)字計算機是一種能夠自動、快捷，準(zhǔn)確地實現(xiàn)信息存放數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理過程控制等多種功能的電子機器，其基本功能是進(jìn)行數(shù)字化信息處理。世界上第一臺計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）誕生于1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學(xué)摩爾理工學(xué)院的摩切利和埃卡特發(fā)明的。計算機應(yīng)用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、實時控制、人工智能、虛擬現(xiàn)實、遠(yuǎn)程教育、電子商務(wù)等多種領(lǐng)域。計算機的發(fā)展——第一臺電子計算機（ENIAC）計算機發(fā)展史5000次加法/秒體重28噸占地170M218800只電子管1500個繼電器7000個電阻10000個電容耗電150KWENIAC計算機存在兩個主要缺點，一是存儲容量太小，只能存20個字長為10位的十進(jìn)制數(shù)，二是用線路連接的方法來編排程序，因此每次解題都要依靠人工改接連線，準(zhǔn)備時間大大超過實際計算時間。與ENIAC計算機研制的同時，馮·諾依曼(VonNeumann)與莫爾小組合作研制EDVAC計算機，采用了存儲程序方案，其后開發(fā)的計算機都采用這種方式，稱為馮·諾依曼計算機。一般認(rèn)為馮·諾依曼機具有如下基本特點：(1)計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。(2)采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器中，指令和數(shù)據(jù)一樣可以送到運算器運算，即由指令組成的程序是可以修改的。(3)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制碼表示。(4)指令由操作碼和地址碼組成。(5)指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數(shù)器(即程序計數(shù)器PC)指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結(jié)果或外界條件而改變。(6)機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運算器。50多年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，對馮·諾依曼機作了很多改革，使計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了很大新發(fā)展，如某些機器程序與數(shù)據(jù)分開存放在不同的存儲器中，程序不允許修改，機器不再以運算器為中心，而是以存儲器為中心等等，雖然有以上這些突破，但原則變化不大，習(xí)慣上仍稱之為馮·諾依曼機。50年來，根據(jù)電子計算機所采用的物理器件的發(fā)展，一般把電子計算機的發(fā)展分成四個階段，習(xí)慣上稱為四代。相鄰兩代計算機之間時間上有重疊。第一代：電子管計算機時代(從1946年第一臺計算機研制成功到50年代后期)，其主要特點是采用電子管作為基本器件。在這一時期，主要為軍事與國防尖端技術(shù)的需要而研制計算機，并進(jìn)行有關(guān)的研究工作，為計算機技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其研究成果擴展到民用，又轉(zhuǎn)為工業(yè)產(chǎn)品，形成了計算機工業(yè)。50年代中期，美國IBM公司在計算機行業(yè)中崛起，1954年12月推出的IBM650(小型機)是第一代計算機中行銷最廣的機器，銷售量超過1000臺。1958年11月問世的IBM709(大型機)是IBM公司性能最高的最后一臺電子管計算機產(chǎn)品。第二代：晶體管計算機時代(從50年代中期到60年代后期)，這時期計算機的主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性。而且價格不斷下降。后來又采用了磁心存儲器，使速度得到進(jìn)一步提高。不僅使計算機在軍事與尖端技術(shù)上的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴大，而且在氣象、工程設(shè)計、數(shù)據(jù)處理以及其他科學(xué)研究等領(lǐng)域內(nèi)也應(yīng)用起來。在這一時期開始重視計算機產(chǎn)品的繼承性，形成了適應(yīng)一定應(yīng)用范圍的計算機“族”，這是系列化思想的萌芽。從而縮短了新機器的研制周期，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了程序兼容，方便了新機器的使用。1960年控制數(shù)據(jù)公司(CDC)研制高速大型計算機系統(tǒng)CDC6600，于1964年完成，取得了巨大成功，深受美國和西歐各原子能、航空與宇航、氣象研究機構(gòu)和大學(xué)的歡迎，使該公司在研究和生產(chǎn)科學(xué)計算高速大型機方面處于領(lǐng)先地位。1969年1月，水平更高的超大型機CDC7600研制成功，平均速度達(dá)到每秒千萬次浮點運算，成為20世紀(jì)60年代末、70年代初性能最高的計算機。第三代：集成電路計算機時代(從20世紀(jì)60年代中期到20世紀(jì)70年代前期)，這時期的計算機采用集成電路作為基本器件，因此功耗、體積、價格等進(jìn)一步下降，而速度及可靠性相應(yīng)地提高，這就促使了計算機的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴大。正是由于集成電路成本的迅速下降，產(chǎn)生了成本低而功能不是太強的小型計算機供應(yīng)市場。占領(lǐng)了許多數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用領(lǐng)域。IBM360系統(tǒng)是最早采用集成電路的通用計算機，也是影響最大的第三代計算機。在1964年宣布IBM360系統(tǒng)時就有大、中、小型等6個計算機型號，平均運算速度從每秒幾千次到一百萬次，它的主要特點是通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。通用化：指令系統(tǒng)豐富，兼顧科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、實時控制三個方面。系列化：IBM360各檔機器采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證了程序兼容，當(dāng)用戶更新機器時原來在低檔機上編寫的程序可以不作修改就使用在高檔機中。IBM360系統(tǒng)后來陸續(xù)增加的幾種型號仍保持與前面的產(chǎn)品兼容。后來，西歐與日本的一些通用計算機也保持與IBM360系統(tǒng)兼容。蘇聯(lián)和東歐國家聯(lián)合制造的“統(tǒng)一系統(tǒng)”也是與IBM360系統(tǒng)兼容的。標(biāo)準(zhǔn)化：采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口，因而各個機型的外部設(shè)備是通用的。采用積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了各個型號的CPU獨立設(shè)計以外，存儲器、外部設(shè)備都采用標(biāo)準(zhǔn)部件組裝。第四代：大規(guī)模集成電路計算機時代，20世紀(jì)70年代初，半導(dǎo)體存儲器問世，迅速取代了磁芯存儲器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，此后，存儲器芯片集成度大體上每三年翻兩番(1971年每片1K位，到1984年達(dá)到每片256K位，1992年16M位動態(tài)隨機存儲器芯片上市)，這就是著名的摩爾定律，從1971年內(nèi)含2300個晶體管的Intel4004芯片問世，到1999年包含了750萬個晶體管的PentiumⅡ處理器，都證實了摩爾定律的正確性。后來轉(zhuǎn)述為微處理器的工作速度，在一定成本下，大體上也是每18個月翻一番。摩爾定律早在1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（GordonMoore）在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗證著。摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計算機系統(tǒng)性能將會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而花費的資金不會增加。我們完全有理由相信，這種趨勢在今后20年還會持續(xù)下去，我們還沒有達(dá)到物理上造成計算機性能停滯不前的任何限制。計算機的發(fā)展類型時期主要器件重要特征第一代1946-1957電子管機器語言，匯編語言速度低，體積大，價格昂貴可靠性差，用于科學(xué)計算。第二代1958-1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)體積縮小，可靠性提高從科學(xué)計算擴大到數(shù)據(jù)處理。第三代1965-1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達(dá)幾百萬IPS，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。第四代1972-中、大及超大規(guī)模集成電路速度提高至GIPS乃至TIPS水平多機并行處理和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。各時代代表機型時代機型產(chǎn)地一ENIAC1946EDSAC19491031953美.賓州大學(xué)英.劍橋大學(xué)二IBM70901958DJS-21,108,X-2,441BIBM中國三IBM360/370系列CDC6000/7600,STAR-100,NOVA,PDP-11DJS-130/200IBMCDC中國四微型機APPLE,IBM-PCVAX系列長城0520,…………….計算機總體發(fā)展

年

代

邏輯元件

主

存

輔

存

語言處理

速

度

代表機種

第一代

1946-1957

電子管

磁芯、磁鼓

磁帶

機器語言

匯編語言

1萬次/秒

ENICA、IBM650

IBM709

第二代

1958-

1964

晶體管

磁芯、磁鼓

磁帶、磁盤

高級語言

編譯語言

操作系統(tǒng)

幾萬次

幾百萬次/秒

IBM7094

DTS-121

X-2

第三代

1965-

1971

集成電路和大規(guī)模集成電路

半導(dǎo)體存儲器

磁帶、磁盤

多道程序?qū)崟r處理

百萬次千萬次

IBM360

DJS-100

第四代

1972--

超大規(guī)模集成電路

半導(dǎo)體存儲器

高速磁盤

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

千萬次

1億次/秒

VAX-11

INTEL系列

微電子與計算機年份型號管數(shù)年份型號管數(shù)1971400423001993PENTIUM310萬1972800835001995P--PRO550萬1974808060001997P--MMX450萬19788086290001997P--II750萬19828028613萬1998Celeron750萬1985386DX27.5萬1999P--III950萬1989486DX120萬1999.10P-III-COP2800萬第五代計算機通信、存儲、信息處理和人工智能相結(jié)合的超巨能計算機。第六代計算機利用光電子元件、超導(dǎo)電子元件或生物電子元件作為計算機的核心元件。計算機分類：

機械計算機電子模擬計算機：數(shù)值由連續(xù)的量來表示。

電子數(shù)字計算機：計算機中的數(shù)值由不連續(xù)的數(shù)字來表示。專用機：經(jīng)濟，有效，快速，適應(yīng)性差通用機：適應(yīng)性強

巨型機大型機中型機小型機微型機單片機低簡易性高

高體積，功耗，性能，價格低一.分類按用途分類通用機：通用性強，綜合能力強，解決各種問題專用機：特殊配置，功能單一，解決特定問題按綜合性能指標(biāo)分類巨型機：速度最快、處理能力最強 已達(dá)十幾萬億次浮點運算 “銀河Ⅲ”達(dá)每秒130億次大型機：大型、通用、較快、較強

作“客戶機/服務(wù)器”的服務(wù)器 作“終端/主機”的主機小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計試制周期短 工藝先進(jìn)、使用維護(hù)簡單

工作站：介于PC與小型機之間

高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強微型計算機：小、巧、輕、使用方便、價格便宜

中央處理器：一個芯片網(wǎng)絡(luò)計算機：基于Java技術(shù)的瘦客戶機系統(tǒng)1.大型機大型機是反映各個時期先進(jìn)計算技術(shù)的大型通用計算機，其中以IBM公司的大型機系列影響最大。從20世紀(jì)60年代～80年代，信息處理主要是以主機系統(tǒng)加終端為代表(即大型機)的集中式數(shù)據(jù)處理，20世紀(jì)60年代的IBM360系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代和80年代的IBM370系統(tǒng)曾占領(lǐng)大型機的霸主地位。IBM公司為開發(fā)360系統(tǒng)的軟件耗費了巨大的人力和財力。如此豐富的軟件不能拋棄，只能繼承，這已成為用戶與計算機廠家的共識，但也成了計算機發(fā)展的制約。因此IBM370系統(tǒng)是在保持與360系統(tǒng)兼容的前提下進(jìn)行了改進(jìn)與提高，其主流產(chǎn)品有IBM303X系列與IBM4300系列，后者是該系列中的低檔產(chǎn)品。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著微機性能的極大提高和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，客戶機/服務(wù)器(client/server)技術(shù)得以飛速發(fā)展并普及，曾一度使大型機的作用受到懷疑。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著企業(yè)規(guī)模的擴大與信息技術(shù)的發(fā)展，很多采用客戶機/服務(wù)器的分散式運算模式的用戶發(fā)現(xiàn)，這種系統(tǒng)的管理極為復(fù)雜，運算營運成本高，安全可靠性難以保證。于是大型機獲得東山再起的機會，企業(yè)需要一個開放的、安全的大型服務(wù)器作為計算平臺，因為只有大型機才具有高可靠性、安全性、高吞吐能力、高可擴展性、防病毒以及防黑客的能力。與此同時，大型機的性能在不斷提高，成本不斷下降，20世紀(jì)90年代IBM推出的大型機系列為IBMS/390系列，并不斷推出新產(chǎn)品，ES/9000即是S/390系列中的知名產(chǎn)品之一，1997年的主流產(chǎn)品是9672系列。到1997年6月推出的S/390第4代產(chǎn)品采用CMOS工藝(過去的大型機為尋求高速度而采用雙極型晶體管工藝)，從而減少了功耗，并提高了芯片的集成度；1998年5月S/390第5代產(chǎn)品問世，主機速度達(dá)到每秒10億次。近年來S/390的銷售量已連續(xù)三年以兩位數(shù)字增長，取得顯著成績。IBMS/390不僅仍保持與IBM360，370兼容，還包含了許多新特點，如良好的開放性、并行計算環(huán)境等。被廣泛用作企業(yè)服務(wù)器。其他計算機廠家在發(fā)展新機種時也遵循兼容的原則。某些計算機廠家走上與IBM計算機兼容的道路，稱之為PCM：PlugCompatibleMainframe(插接兼容主機——硬件完全兼容)或ProgramCompatibleMainframe(程序兼容主機——軟件兼容)，制造與IBM兼容的計算機，它們按IBM系列機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)制造主機，并直接引用IBM計算機的軟件，因而使產(chǎn)品的性能價格比優(yōu)于IBM原裝機，以爭奪市場。2.巨型機現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是國防技術(shù)的發(fā)展，需要有很高運算速度、很大存儲容量的計算機。集成電路的進(jìn)展，為制造巨型機提供了條件。從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)70年代相繼完成了一些巨型機，其中取得最高成績的要推Cray-1計算機。針對天氣預(yù)報、飛行器的設(shè)計和核物理研究中存在大量向量運算的特點，Cray-1計算機的向量運算速度達(dá)每秒8000萬次，并兼顧了一般的標(biāo)量運算。1983年研制成功的CrayX-MP機向量運算速度達(dá)每秒4億次。與此同時，CDC公司的CYBER203和205先后完成，CYBER205每秒可進(jìn)行4億次浮點運算。這些是20世紀(jì)80年代初期的水平最高的巨型機。但是這些成就還不能滿足一些復(fù)雜問題的需要，所以不少單位開展了性能更高的巨型機的研究工作。后來微處理機的發(fā)展為陣列結(jié)構(gòu)的巨型機發(fā)展帶來了希望。例如，古德伊爾公司為美國宇航局(NASA)研制了一臺處理衛(wèi)星圖像的計算機系統(tǒng)MPP，該機由16384個微處理器組成128×128方陣。這種采用并行處理技術(shù)的多處理器系統(tǒng)是巨型機發(fā)展的一個重要方面，稱為小巨型機。日本、英國、蘇聯(lián)、法國也先后開始研制巨型機。3.小型機小型機規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單所以設(shè)計試制周期短，便于及時采用先進(jìn)工藝，生產(chǎn)量大，硬件成本低；同時由于軟件比大型機簡單，所以軟件成本也低。再加上容易操作、容易維護(hù)和可靠性高等特點，使得管理機器和編制程序都比較簡單，因而得以迅速推廣，掀起一個計算機普及應(yīng)用的浪潮。DEC公司的PDP11系列是16位小型機的代表，到70年代中期32位高檔小型機開始興起，DEC公司的VAX11/780于1978年開始生產(chǎn)，應(yīng)用極為廣泛。VAX11系列與PDP11系列是兼容的。80年代以后，精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)問世，導(dǎo)致小型機性能大幅度提高。小型機的出現(xiàn)打開了在控制領(lǐng)域應(yīng)用計算機的局面，許多大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療儀器使用小型機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、整理、分析、計算等。應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上的計算機除了進(jìn)行上述工作外還可進(jìn)行自動控制。小型機還廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、科學(xué)計算、信號處理、圖像處理、企業(yè)管理以及在客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中用作服務(wù)器等。

4.微型機微型機的出現(xiàn)與發(fā)展，掀起計算機大普及的浪潮，利用4位微處理器Intel4004組成的MCS-4是世界上第一臺微型機，它于1971年問世。Intel8086是最早開發(fā)成功的16位微處理器(1978年)。1981年32位微處理器Intel80386問世，與原來的產(chǎn)品相比較，除了提高主頻速度外，還將原屬片外的有關(guān)電路集成到片內(nèi)。32位微處理機采用過去大中型計算機中所采用的技術(shù)，因此用它構(gòu)成的微型機系統(tǒng)的性能可以達(dá)到70年代大中型計算機的水平。70年代后期，興起個人計算機熱潮，最早出現(xiàn)的是Apple公司的AppleⅡ型微機(1977年)。1981年一向以生產(chǎn)大中型通用機為主的IBM公司推出了IBMPC機，該機采用Intel80×86(當(dāng)時為8086)微處理器和Microsoft公司的MS-DOS操作系統(tǒng)，IBM公司還公布了IBMPC的總線結(jié)構(gòu)，這些開放措施為微型計算機的大規(guī)模生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。后來又推出擴充了性能的IBMPC/XT，IMBPC/AT以及386，486和Pentium等多種機型。微型機向小型化發(fā)展出現(xiàn)了便攜機(膝上型、筆記本型和掌上型)，在90年代獲得迅速發(fā)展。與此同時，個人計算機走向家庭，并向多媒體方向發(fā)展，這就是家用電腦和多媒體電腦。5.工程工作站工程工作站是20世紀(jì)80年代興起的面向廣大工程技術(shù)人員的計算機系統(tǒng)，一般具有高分辨率顯示器、交互式的用戶界面和功能齊全的圖形軟件。開始集中應(yīng)用于各種工程方面的計算機輔助設(shè)計，如集成電路設(shè)計、機械設(shè)計、土木建筑設(shè)計等。1980年成立的Apollo公司和1982年成立的Sun微系統(tǒng)公司主要從事工作站的研制與生產(chǎn)工作。開始都采用Motorola的微處理器芯片，后來改用RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機)微處理器。1987年以后，工作站普遍采用32位/64位RISC微處理器，不僅處理速度快，而且具有強大的圖形處理功能和友好的窗口界面，后來又向多處理器系統(tǒng)和分布式處理系統(tǒng)發(fā)展。典型的產(chǎn)品有Sun公司的SPARC系列、DEC公司的Alpha系列以及SGI公司和HP公司的工作站系列。由于工程工作站出現(xiàn)得比較晚，一般都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，并采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即將機器的軟、硬件接口公開，以鼓勵其他廠商、用戶圍繞工作站開發(fā)軟、硬件產(chǎn)品。同時盡量遵守國際工業(yè)界流行的標(biāo)準(zhǔn)。二.計算機的應(yīng)用計算機的應(yīng)用類型

1.科學(xué)計算

2.過程控制

3.CAD/CAM/CAT

4.數(shù)據(jù)處理

5.電子商務(wù)

6.多媒體技術(shù)

7.人工智能計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.工商：電子商務(wù)、CAD/CAM

2.教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育

3.醫(yī)藥：CAT、MRI、遠(yuǎn)程醫(yī)療

4.政府：電子政府

5.娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技

6.科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析

7.家庭：家庭信息化

1.科學(xué)計算科學(xué)計算一直是電子計算機的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。例如，在天文學(xué)、量子化學(xué)、空氣動力學(xué)、核物理學(xué)等領(lǐng)域中，都需要依靠計算機進(jìn)行復(fù)雜的運算。在軍事上，導(dǎo)彈的發(fā)射及飛行軌道的計算控制、先進(jìn)防空系統(tǒng)等現(xiàn)代化軍事設(shè)施通常都是由計算機控制的大系統(tǒng)，其中包括雷達(dá)、地面設(shè)施、海上裝備等?，F(xiàn)代的航空、航天技術(shù)發(fā)展，例如超音速飛行器的設(shè)計，人造衛(wèi)星與運載火箭軌道計算更是離不開計算機。除了國防及尖端科學(xué)技術(shù)以外，計算機在其他學(xué)科和工程設(shè)計方面，諸如數(shù)學(xué)、力學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)分析、石油勘探、橋梁設(shè)計、建筑、土木工程設(shè)計等領(lǐng)域內(nèi)也得到廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了各門科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。有些系統(tǒng)，要求計算機處理所得的結(jié)果立即反過來作用或影響正在被處理的事物本身。例如，在控制導(dǎo)彈飛行的系統(tǒng)中，不斷測量導(dǎo)彈飛行的參數(shù)(包括飛行環(huán)境)，并及時作出反應(yīng)，修正導(dǎo)彈飛行的軌跡，這樣的系統(tǒng)稱為實時處理系統(tǒng)?？茖W(xué)計算的特點是計算量大和數(shù)值變化范圍大。

2.數(shù)據(jù)處理當(dāng)前大部分計算機都用于數(shù)據(jù)處理。例如，在銀行系統(tǒng)中，用計算機處理儲戶的存款、取款、發(fā)放工資，或為信用卡系統(tǒng)、銷售點系統(tǒng)提供服務(wù)等。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有輸入輸出數(shù)據(jù)量大而計算卻很簡單的特點。為了實現(xiàn)各儲蓄所之間的通存通兌以及在商店、酒樓中使用信用卡，計算機需聯(lián)網(wǎng)使用。在企業(yè)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中，計算機廣泛應(yīng)用于財會統(tǒng)計與經(jīng)營管理中，如編制生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計報表、成本核算、銷售分析、市場預(yù)測、利潤預(yù)估、采購訂貨、庫存管理、工資管理等。為了適應(yīng)計算機管理，在報表格式的修改，名詞統(tǒng)一編碼等多方面要進(jìn)行大量工作。3.計算機控制在現(xiàn)代化工廠里，計算機普遍用于生產(chǎn)過程的自動控制。例如，在化工廠中用計算機來控制配料、溫度、閥門的開閉等；在煉鋼車間用計算機控制加料、爐溫、冶煉時間等；程控機床加工的機械零件具有尺寸精確的特點，而且不需要專用工卡具、模具和熟練技工就可以制造出形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。用于生產(chǎn)過程自動控制的計算機，一般都是實時控制，它們對計算機的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則將生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品，甚至造成重大設(shè)備事故或人身事故。用于控制的計算機，其輸入信息往往是電壓、溫度、機械位置等模擬量，要先將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后計算機才能進(jìn)行處理或計算。當(dāng)從被控制對象測量到的信息是溫度、位置等非電量時，要先將它們轉(zhuǎn)換成電量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。如何測量，用什么儀表測量也是一個很重要的問題。計算機的處理結(jié)果是數(shù)字量，一般要將它們轉(zhuǎn)換成模擬量去控制對象，稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換。如有需要，可將結(jié)果打印輸出或顯示在屏幕上，以供觀察。提供計算機控制系統(tǒng)的廠家往往已將控制程序(稱為應(yīng)用程序包)編制好，可提供給用戶。4.計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造(CAD/CAM)由于計算機有快速的數(shù)值計算、較強的數(shù)據(jù)處理以及模擬的能力，因而目前在飛機、船舶、光學(xué)儀器、超大規(guī)模集成電路(VLSI)等的設(shè)計制造過程中，CAD/CAM占據(jù)著越來越重要的地位。在超大規(guī)模集成電路的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過設(shè)計制圖、照相制版、光刻、擴散、內(nèi)部連接等多道復(fù)雜工序，是人工難以解決的。使用已有的計算機輔助設(shè)計新的計算機，達(dá)到設(shè)計自動化或半自動化程度，從而減輕人的勞動強度并提高設(shè)計質(zhì)量，這也是計算機輔助設(shè)計的一項重要內(nèi)容。由于設(shè)計工作與圖形分不開，一般供輔助設(shè)計用的計算機配備有圖形顯示、繪圖儀等設(shè)備以及圖形語言、圖形軟件等。設(shè)計人員可借助這些專用軟件和輸入輸出設(shè)備把設(shè)計要求或方案輸入計算機，通過相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行計算處理后把結(jié)果顯示出來，設(shè)計人員可用光筆或鼠標(biāo)器進(jìn)行修改或選擇，直到滿意為止。

5.人工智能人工智能學(xué)科研究的內(nèi)容包括：知識表示，自動推理和搜索方法，機器學(xué)習(xí)和知識獲取，知識處理系統(tǒng)，自然語言理解，計算機視覺，智能機器人等。知識表示是人工智能的基本問題之一，其中的常識知識是研究的重點之一，常識是指人們直覺的、日常使用的那些非專業(yè)性知識。自動推理與知識表示方法密切相關(guān)，是知識的使用過程。搜索是人工智能的一種問題求解方法，搜索策略決定著問題求解的一個推理步驟中知識被使用的優(yōu)先關(guān)系。機器學(xué)習(xí)是人工智能另一重要課題。機器學(xué)習(xí)是指在一定的知識表示意義下獲取新知識的過程。知識處理系統(tǒng)主要由知識庫和推理機組成。知識庫存儲系統(tǒng)所需要的知識，如果在知識庫中存儲的是某一領(lǐng)域(如醫(yī)療診斷)的專家知識，該知識系統(tǒng)被稱為專家系統(tǒng)。推理機在問題求解時，規(guī)定使用知識的基本方法和策略，推理過程中為記錄結(jié)果或通信需設(shè)數(shù)據(jù)庫。人與機器進(jìn)行對話，利用能為計算機所接受的自然語言描述現(xiàn)實世界，一直是人工智能的研究目標(biāo)之一。自然語言的理解過程包括語法分析和語義分析，已研制的一些自然語言理解系統(tǒng)都只能處理自然語言的子集。要讓機器像人一樣運用自然語言，還是長遠(yuǎn)而艱巨的任務(wù)。人機接口除了能自動識別自然語言外，還應(yīng)有能識別圖形、圖像的能力。制造具有某種智能的機器人是工業(yè)上和軍事上的需要。機器人的研究涉及機械、電子、控制及計算機等方面，從人工智能角度研究機器人主要涉及表示技術(shù)、感知技術(shù)、自動推理技術(shù)和規(guī)劃方法等。計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)是計算機系統(tǒng)中軟硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。指令集（instructionset）軟件硬件電子計算機的設(shè)計思想存儲程序控制“存儲程序”是把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同一裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令按一定的規(guī)則組成程序；“程序控制”是當(dāng)計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預(yù)定的信息處理任務(wù)。馮諾依曼型計算機的設(shè)計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行。一.硬件系統(tǒng)

存儲器運算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備

二.軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件：OS，語言處理，服務(wù)程序，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

用來提高使用效率，發(fā)揮和擴大計算機功能和用途的程序。

應(yīng)用軟件：工程設(shè)計，數(shù)據(jù)處理，自動控制，企業(yè)管理

用戶用來解決某些問題而編制的程序。接口接口設(shè)備設(shè)備運算器控制器內(nèi)存系統(tǒng)總線運算器：計算機中進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的部件。存儲器：存放程序和數(shù)據(jù)的部件（R/W）?？刂破鳎嚎刂朴嬎銠C有條不紊地執(zhí)行程序的部件。程序控制輸入設(shè)備：能將人們所熟悉的信息形式變換為計算機內(nèi)部能接收和識別的二進(jìn)制信息的設(shè)備。輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它設(shè)備所能接收和識別的信息形式的設(shè)備。輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入輸出接口和總線外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)運算器部件是計算機中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件，其主要功能包括：1.執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)加減乘除等運算，執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等邏輯運算，由一個被稱為ALU的線路完成。2.暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，由多個通用寄存器來承擔(dān)。3.運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰?/p>

控制器運算器計算機硬件系統(tǒng)

控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)控制器是計算機中控制執(zhí)行指令的部件：一.正確執(zhí)行每條指令

1.首先是取來一條指令，

2.接著分析這條指令，

3.再按指令格式和功能執(zhí)行這條指令二.保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)地執(zhí)行。三.對各種異常情況和請求及時響應(yīng)和處理。說到底，控制器要向計算機各功能部件提供每一時刻協(xié)同運行所需要的控制信號外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)

外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)

由高速緩沖存儲器，主存儲器，外存儲器所組成的多級（層）存儲器系統(tǒng)，是計算機中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)。這三級存儲器所用的存儲介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。將作為三個部分分別講解。輸入設(shè)備外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備是向計算機中送入程序和數(shù)據(jù)的有一定獨立功能的設(shè)備，通過接口和總線與計算機主機連通，用于人—機交互聯(lián)系,如計算機鍵盤和鼠標(biāo)等。輸入設(shè)備外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)

輸出設(shè)備是計算機中用于送出計算機內(nèi)部信息的設(shè)備,例如打印機,顯示器等。輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—計算機的硬件結(jié)構(gòu)這些部件和設(shè)備通過總線和接口連接在一起,構(gòu)成計算機整機系統(tǒng),協(xié)同運行.輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入出接口和總線外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器計算機的硬件結(jié)構(gòu)計算機基本工作原理

1.指令:讓計算機完成某個操作發(fā)出的命令。（用二進(jìn)制代碼來表示）3.指令的執(zhí)行有序的指令集合。2.程序內(nèi)存指令取指周期：執(zhí)行周期：控制信號有關(guān)部件動作CPU譯碼CPU4.程序的執(zhí)行CPU不斷地取指令，執(zhí)行指令。操作碼地址碼

2、計算機軟件 軟件=程序+數(shù)據(jù)+文檔軟件分類系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng) 語言處理程序 實用程序應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件實時控制軟件診斷程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件

(1)操作系統(tǒng)

管理和控制計算機系統(tǒng)的所有資源(包括硬件和軟件)

裸機+操作系統(tǒng)=虛擬機統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，提高使用效率和經(jīng)濟效益不需了解軟硬件細(xì)節(jié)，提高工作效率目的

(2)實用程序

診斷程序：SCANDISK反病毒程序：瑞星、金山毒霸備份程序：Windows中的備份程序文件壓縮程序:WinZipwinrar卸載程序：Windows中的添加/刪除程序操作系統(tǒng)自己帶一些第三方開發(fā)

(3)語言處理程序源程序可執(zhí)行程序目標(biāo)程序編輯程序匯編或編譯程序鏈接程序機器語言高級語言匯編語言面向過程：BASIC、Pascal、FORTRAN、C等面向?qū)ο螅篊++、

Java、VisualBasic等面向問題的語言計算機的技術(shù)指標(biāo)字長：參與運算的基本位數(shù)，它決定了寄存器、加法器、存儲單元和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。它標(biāo)志著計算精度。主存容量：存儲器可以容納的二進(jìn)制信息量。運算速度：單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)。軟、硬件配