第一章計算機系統(tǒng)概論

計算機組成與結(jié)構(gòu)科學(xué)計算與計算機應(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章計算機系統(tǒng)概述計算機——Computer如何正確理解“計算機”這個術(shù)語呢？凡是能完成以下三類工作的機器就是計算機：①能接受程序和數(shù)據(jù)的輸入，并存儲起來；②能依據(jù)存儲的程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行自動處理并得出結(jié)果；③能把結(jié)果輸出。所以，計算機是一種能夠接收信息，存儲信息，并依據(jù)存儲在其內(nèi)部的程序(這些程序是人們意志的體現(xiàn))對輸入的信息進(jìn)行加工、處理，得到人們所期望的結(jié)果，然后把處理結(jié)果輸出的高度自動化的電子設(shè)備。1.1計算機的構(gòu)成1.1.1計算機硬件和軟件的概念1.1.2計算機的硬件1.1.3計算機程序、指令和語言1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3計算機的分類和應(yīng)用1.3.1計算機的分類1.3.2計算機的應(yīng)用

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

硬件(Hardware)，是指計算機系統(tǒng)中實際裝置的總稱。它可以是電子的、電的、磁的、機械的、光的元件或裝置，或由它們組成的計算機部件或整個計算機硬件系統(tǒng)。計算機的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器、限制器和存儲器五部分組成。計算機軟件是指在計算機硬件上運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)庫管理系統(tǒng)、專用軟件包、各種維護(hù)運用手冊、程序流程圖和說明等。1.1.2計算機的硬件

計算機的硬件是指組成一臺計算機的各種物理裝置,它們是由各種實實在在的器件組成的,是計算機進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器、存儲器和限制器五部分組成。1.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備（inputequipment）的功能是從計算機外部把信息和處理這些信息的程序通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中。鍵盤(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）的功能是用來輸出計算機的處理結(jié)果。最常用的輸出設(shè)備是顯示器(display)和打印機(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等。外圍設(shè)備分類見下圖。

⒊存儲器存儲器(Memory)是計算機用來存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件,是計算機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。存儲器可分為內(nèi)存儲器與外存儲器,簡稱內(nèi)存與外存。內(nèi)存是由中心處理器干脆訪問的存儲器,它存放著現(xiàn)在運行的程序和數(shù)據(jù),也可以存儲計算的結(jié)果或中間結(jié)果。由于其干脆和運算器、限制器交換信息,因此要求存取速度快,但存儲容量較小。外存儲器簡稱“外存”，是主機的外圍設(shè)備，用來存儲大量的短暫不參與運算或處理的數(shù)據(jù)和程序,因而允許速度較慢。⒋運算器運算器（arithmeticunit）的功能是在限制器的指揮下,對信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運算,包括算術(shù)運算和邏輯運算,所以在其內(nèi)部有一個算術(shù)邏輯部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。功能:⑴實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運算。⑵短暫存放參與運算的數(shù)據(jù)和某些中間運算結(jié)果。 ⑶選擇參與運算的數(shù)據(jù),選中要執(zhí)行的運算功能,并把運算結(jié)果輸出到所要求的部件中。⒌限制器限制器(control)：它指揮計算機各部件依據(jù)指令功能的要求進(jìn)行所須要的操作。主要功能：從存儲器中取出指令,說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,去限制計算機各部件協(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：運算器、限制器、總線和時鐘等部件,計算機的主機則由CPU和內(nèi)存儲器組成。在微機中運用的CPU也稱為微處理器。1.1.3計算機程序、指令和語言1.程序計算機程序(Program)是用某種特定的符號系統(tǒng)(指令或語言)對被處理的數(shù)據(jù)和實現(xiàn)算法的過程進(jìn)行的描述。2.指令指令(Instruction)是指揮計算機如何工作的吩咐，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.計算機語言（computerlanguage）指的是程序設(shè)計語言，程序設(shè)計語言分為三種類型：機器語言、匯編語言和高級語言。⑴機器語言機器語言（machinelanguage）是一種二進(jìn)制語言，它是用二進(jìn)制代碼表示的機器指令來描述的。用機器語言編寫程序就是用機器指令來描述所求解問題的過程和步驟，這樣的程序稱為機器語言程序，或稱二進(jìn)制語言程序。⑵匯編語言匯編語言（assemblerlanguage）和機器語言基本上是一一對應(yīng)的，但在表示方法上作了根本性的改進(jìn)，用一種助記符來代替操作碼，用符號來表示操作數(shù)地址(地址碼)，這些助記符通常運用指令功能英文單詞的縮寫，以便于記憶。⑶高級語言高級語言（high-levellanguage）是面對問題的程序設(shè)計語言，高級語言種類很多，常用的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、C、PASCAL、BASIC、LISP、LOGO、PROLOG和Java等。高級語言的獨創(chuàng)是計算機發(fā)展史上最驚人的成就之一，使得非計算機專業(yè)人員能夠運用計算機，大大地促進(jìn)了計算機的廣泛應(yīng)用和普及。VisualBasic、VisualC、Delphi等是面對對象的程序設(shè)計語言，充分體現(xiàn)了面對對象技術(shù)，是程序設(shè)計語言的將來。1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計算機系統(tǒng)：由計算機硬件系統(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。

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可用右圖來表示。從計算機系統(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)是計算機硬件和軟件的接口；⑵操作系統(tǒng)是用戶和計算機硬件的接口，用戶操作計算機干脆面對的是操作系統(tǒng)，是和操作系統(tǒng)打交道，操作系統(tǒng)是用戶的操作平臺； ⑶只有硬件沒有軟件的機器(裸機)是不能工作的。1.3.1計算機的分類⑴按處理的信息形式分：數(shù)字計算機和模擬計算機。用脈沖編碼表示數(shù)字，處理的是數(shù)字信息，這類計算機是數(shù)字計算機；處理長度、電壓、電流等模擬量的計算機稱為模擬計算機。⑵按字長分：可分為8位機、16位機、32位機和64位機等。⑶按結(jié)構(gòu)分：可分為單片機、單板機、多芯片機與多板機。⑷按用途分：可分為工業(yè)限制機與數(shù)據(jù)處理機等。⑸按規(guī)模分：可分為巨型機、小巨型機、大中型機、小型機、工作站和微型機(PC機)六類。1.3.2計算機的應(yīng)用 計算機的應(yīng)用范圍，按其應(yīng)用特點，可以分為以下幾個方面:1.科學(xué)計算2.數(shù)據(jù)處理3.過程限制4.計算機協(xié)助系統(tǒng)5.計算機通信1.4.1計算機的特點1.通用數(shù)字計算機的特點⑴處理速度快⑵計算精度高⑶記憶實力強⑷牢靠的邏輯推斷實力⑸牢靠性高，通用性強由于接受了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，計算機具有特別高的牢靠性，可以連續(xù)無故障地運行幾個月甚至幾年?，F(xiàn)代計算機不僅可用來進(jìn)行科學(xué)計算，也可用于數(shù)據(jù)處理、工業(yè)實時限制、協(xié)助設(shè)計和協(xié)助制造、辦公自動化等，通用性特別強。2.微型計算機的特點微型計算機:除了具有計算機的一般特點外，還具有以下一些特點。⑴體積小，重量輕⑵價格便宜，成本低。⑶運用便利，運行牢靠⑷對工作環(huán)境無特殊要求1.4.2計算機的性能指標(biāo)

計算機的主要技術(shù)性能指標(biāo)有下面幾項：⑴主頻:主頻即時鐘頻率，是指計算機的CPU在單位時間內(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:是指計算機的運算部件能同時處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位.字長也影響機器的運算速度，字長越長，計算機的運算速度越快。

⑶存儲容量：計算機能存儲的信息總字節(jié)量。字節(jié)(Byte，簡寫為B)是作為一個單位來處理的一串二進(jìn)制數(shù)位，通常以8個二進(jìn)制位(bit)作為一個字節(jié)。每1024個字節(jié)稱為1K字節(jié)(1KB)。存儲容量的單位還有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)啟動兩次獨立的“讀”或“寫”操作(如連續(xù)的兩次“讀”操作)所需的最短時間?！皩憽保喊研畔⒋a存入存儲器“讀”：把信息代碼從存儲器中取出訪問時間(或讀寫時間)：存儲器進(jìn)行一次“讀”或“寫”操作所需的時間。⑸運算速度：是一項綜合性的性能指標(biāo)。衡量計算機運算速度的單位是MIPS(百萬條指令/秒)。影響機器運算速度的因素很多，主要是CPU的主頻和存儲器的存取周期。衡量一臺計算機系統(tǒng)的性能指標(biāo)除上面列舉的五項主要指標(biāo)外，還應(yīng)考慮機器的兼容性(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(平均無故障工作時間MTBF，MeanTimeBetweenFailures)，系統(tǒng)的可維護(hù)性(平均修復(fù)時間MTTR，MeanTimetoRepair)，機器允許配置的外部設(shè)備的最大數(shù)目，計算機系統(tǒng)的漢字處理實力，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功能等。性能/價格比是一項綜合性評價計算機性能的指標(biāo)。1.5.1電子計算機的發(fā)展歷史世界上第一臺電子計算機是在1946年由美國的物理學(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)計制造的。起名叫ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)，ENIAC的誕生，為計算機和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，它在美國陸軍彈道探討所運行了約十年，始終工作到1955年。兩個主要缺點：一是存儲容量太小二是準(zhǔn)備時間太長。 世界上第一臺具有存儲程序功能的計算機叫EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，譯作“埃德瓦克”)，它是由曾擔(dān)當(dāng)ENIAC小組顧問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)計的。馮·諾依曼提出的存儲程序和程序限制的理論，及他首先確立的計算機硬件由輸入部件、輸出部件、運算器、存儲器、限制器五個基本部件組成的基本結(jié)構(gòu)和組成的思想，奠定了現(xiàn)代計算機的理論基礎(chǔ)，計算機發(fā)展至今，整個四代計算機統(tǒng)稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機，世人也稱馮·諾依曼為“計算機鼻祖”。

世界上第一臺投入運行的存儲程序式的電子計算機是EDSAC(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator，譯作“埃德沙克”)，該機于1949年5月制成并投入運行，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)模集成電路計算機的發(fā)展道路，現(xiàn)在正在向智能計算機和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機的方向發(fā)展。

以計算機所接受的元器件劃分計算機的發(fā)展階段20世紀(jì)40年頭末到50年頭中期的計算機都是接受電子管元件組成的,此時計算機稱為第一代計算機,也就是電子管時代的計算機。20世紀(jì)50年頭中期,晶體管獨創(chuàng)了,它使計算機技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變更。晶體管很快代替電子管用到計算機上，形成了其次代計算機，即晶體管計算機時代。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,計算機也起先接受中小規(guī)模集成電路作為計算機的主要元件，故第三代計算機又稱為中小規(guī)模集成電路計算機時代。1971年起,第四代——大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計算機時代。這一代計算機的體積進(jìn)一步縮小，性能進(jìn)一步提高。計算機的發(fā)展大致分為四個時期，大型機時期、小型機時期、PC機時期（或客戶/服務(wù)器、PC/服務(wù)器）時期和Internet（或以網(wǎng)絡(luò)為中心）時期。⑴大型機時期(1946年—70年頭初)：70年頭