第一章计算机系统概论

计算机组成与结构科学计算与计算机应用系二零零八年一月幻灯内容部分接受宁波高校幻灯成果考核平常作业+考勤期中考试期末考试第1章计算机系统概述计算机——Computer如何正确理解“计算机”这个术语呢？凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机：①能接受程序和数据的输入，并存储起来；②能依据存储的程序对输入的数据进行自动处理并得出结果；③能把结果输出。所以，计算机是一种能够接收信息，存储信息，并依据存储在其内部的程序(这些程序是人们意志的体现)对输入的信息进行加工、处理，得到人们所期望的结果，然后把处理结果输出的高度自动化的电子设备。1.1计算机的构成1.1.1计算机硬件和软件的概念1.1.2计算机的硬件1.1.3计算机程序、指令和语言1.2计算机系统的层次结构1.3计算机的分类和应用1.3.1计算机的分类1.3.2计算机的应用

1.4计算机的特点和性能指标1.4.1计算机的特点1.4.2计算机的性能指标1.5计算机的发展1.5.1电子计算机的发展历史1.5.2微型计算机的发展1.5.3计算机的发展趋势1.1.1计算机硬件和软件的概念

硬件(Hardware)，是指计算机系统中实际装置的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，或由它们组成的计算机部件或整个计算机硬件系统。计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算器、限制器和存储器五部分组成。计算机软件是指在计算机硬件上运行的各种程序以及有关的文档资料，例如操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、数据库管理系统、专用软件包、各种维护运用手册、程序流程图和说明等。1.1.2计算机的硬件

计算机的硬件是指组成一台计算机的各种物理装置,它们是由各种实实在在的器件组成的,是计算机进行工作的物质基础。计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算器、存储器和限制器五部分组成。1.输入设备

输入设备（inputequipment）的功能是从计算机外部把信息和处理这些信息的程序通过输入接口输入到计算机的存储器中。键盘(keyboard)和鼠标器(Mouse)是最常用的输入设备。其它输入设备还有：扫描仪(scanner)、数字化仪(digitizer)、光笔(lightpen)、条形码扫描器(barcodescanner)、触摸屏、各种模－数(A/D)转换器、数码相机等。

⒉输出设备和外围设备

输出设备（outputequipment）的功能是用来输出计算机的处理结果。最常用的输出设备是显示器(display)和打印机(printer)，还有绘图仪(plotter)、X-Y记录仪、音箱、各种数－模(D/A)转换器等。I/O设备属于外围设备，但外围设备除I/O设备外，还应包括外存储器设备、多媒体设备、网络通信设备和输入输出处理机等。外围设备分类见下图。

⒊存储器存储器(Memory)是计算机用来存放程序和数据的记忆部件,是计算机各种信息存放和沟通的中心。它的基本功能是在限制器的限制下依据指定的地址存入和取出信息。存储器可分为内存储器与外存储器,简称内存与外存。内存是由中心处理器干脆访问的存储器,它存放着现在运行的程序和数据,也可以存储计算的结果或中间结果。由于其干脆和运算器、限制器交换信息,因此要求存取速度快,但存储容量较小。外存储器简称“外存”，是主机的外围设备，用来存储大量的短暂不参与运算或处理的数据和程序,因而允许速度较慢。⒋运算器运算器（arithmeticunit）的功能是在限制器的指挥下,对信息或数据进行处理和运算,包括算术运算和逻辑运算,所以在其内部有一个算术逻辑部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。功能:⑴实现对数据的算术和逻辑运算。⑵短暂存放参与运算的数据和某些中间运算结果。 ⑶选择参与运算的数据,选中要执行的运算功能,并把运算结果输出到所要求的部件中。⒌限制器限制器(control)：它指挥计算机各部件依据指令功能的要求进行所须要的操作。主要功能：从存储器中取出指令,说明指令的操作码和地址码，并依据译码,产生一系列的限制信号,去限制计算机各部件协调地工作,并限制程序的执行依次。因此,限制器的主要工作是不断地取指令、分析指令和执行指令。中心处理器CPU主要包括：运算器、限制器、总线和时钟等部件,计算机的主机则由CPU和内存储器组成。在微机中运用的CPU也称为微处理器。1.1.3计算机程序、指令和语言1.程序计算机程序(Program)是用某种特定的符号系统(指令或语言)对被处理的数据和实现算法的过程进行的描述。2.指令指令(Instruction)是指挥计算机如何工作的吩咐，它通常由一串二进制数码组成，即由操作码和地址码两部分组成。3.计算机语言（computerlanguage）指的是程序设计语言，程序设计语言分为三种类型：机器语言、汇编语言和高级语言。⑴机器语言机器语言（machinelanguage）是一种二进制语言，它是用二进制代码表示的机器指令来描述的。用机器语言编写程序就是用机器指令来描述所求解问题的过程和步骤，这样的程序称为机器语言程序，或称二进制语言程序。⑵汇编语言汇编语言（assemblerlanguage）和机器语言基本上是一一对应的，但在表示方法上作了根本性的改进，用一种助记符来代替操作码，用符号来表示操作数地址(地址码)，这些助记符通常运用指令功能英文单词的缩写，以便于记忆。⑶高级语言高级语言（high-levellanguage）是面对问题的程序设计语言，高级语言种类很多，常用的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、C、PASCAL、BASIC、LISP、LOGO、PROLOG和Java等。高级语言的独创是计算机发展史上最惊人的成就之一，使得非计算机专业人员能够运用计算机，大大地促进了计算机的广泛应用和普及。VisualBasic、VisualC、Delphi等是面对对象的程序设计语言，充分体现了面对对象技术，是程序设计语言的将来。1.2计算机系统的层次结构

计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成。软件又分为系统软件和应用软件。

计算机系统的层次结构可用右图来表示。从计算机系统的层次结构的示意图中，我们可以看到⑴指令系统是计算机硬件和软件的接口；⑵操作系统是用户和计算机硬件的接口，用户操作计算机干脆面对的是操作系统，是和操作系统打交道，操作系统是用户的操作平台； ⑶只有硬件没有软件的机器(裸机)是不能工作的。1.3.1计算机的分类⑴按处理的信息形式分：数字计算机和模拟计算机。用脉冲编码表示数字，处理的是数字信息，这类计算机是数字计算机；处理长度、电压、电流等模拟量的计算机称为模拟计算机。⑵按字长分：可分为8位机、16位机、32位机和64位机等。⑶按结构分：可分为单片机、单板机、多芯片机与多板机。⑷按用途分：可分为工业限制机与数据处理机等。⑸按规模分：可分为巨型机、小巨型机、大中型机、小型机、工作站和微型机(PC机)六类。1.3.2计算机的应用 计算机的应用范围，按其应用特点，可以分为以下几个方面:1.科学计算2.数据处理3.过程限制4.计算机协助系统5.计算机通信1.4.1计算机的特点1.通用数字计算机的特点⑴处理速度快⑵计算精度高⑶记忆实力强⑷牢靠的逻辑推断实力⑸牢靠性高，通用性强由于接受了大规模和超大规模集成电路，计算机具有特别高的牢靠性，可以连续无故障地运行几个月甚至几年。现代计算机不仅可用来进行科学计算，也可用于数据处理、工业实时限制、协助设计和协助制造、办公自动化等，通用性特别强。2.微型计算机的特点微型计算机:除了具有计算机的一般特点外，还具有以下一些特点。⑴体积小，重量轻⑵价格便宜，成本低。⑶运用便利，运行牢靠⑷对工作环境无特殊要求1.4.2计算机的性能指标

计算机的主要技术性能指标有下面几项：⑴主频:主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数。主频的单位是兆赫兹(MHz)，如486DX/66的主频为66MHz，Pentium/100的主频为100MHz，PⅡ/233的主频为233MHz，PⅢ的主频有450MHz、500MHz、733MHz等，P4的主频在1GHz以上。⑵字长:是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位.字长也影响机器的运算速度，字长越长，计算机的运算速度越快。

⑶存储容量：计算机能存储的信息总字节量。字节(Byte，简写为B)是作为一个单位来处理的一串二进制数位，通常以8个二进制位(bit)作为一个字节。每1024个字节称为1K字节(1KB)。存储容量的单位还有MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节）。它们之间的关系是：1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B=1048576B1GB=1024MB=230B=1973741824B1TB=1024GB=240B=1099511627776B⑷存取周期：连续启动两次独立的“读”或“写”操作(如连续的两次“读”操作)所需的最短时间。“写”：把信息代码存入存储器“读”：把信息代码从存储器中取出访问时间(或读写时间)：存储器进行一次“读”或“写”操作所需的时间。⑸运算速度：是一项综合性的性能指标。衡量计算机运算速度的单位是MIPS(百万条指令/秒)。影响机器运算速度的因素很多，主要是CPU的主频和存储器的存取周期。衡量一台计算机系统的性能指标除上面列举的五项主要指标外，还应考虑机器的兼容性(包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备兼容)，系统的牢靠性(平均无故障工作时间MTBF，MeanTimeBetweenFailures)，系统的可维护性(平均修复时间MTTR，MeanTimetoRepair)，机器允许配置的外部设备的最大数目，计算机系统的汉字处理实力，数据库管理系统及网络功能等。性能/价格比是一项综合性评价计算机性能的指标。1.5.1电子计算机的发展历史世界上第一台电子计算机是在1946年由美国的物理学家莫奇利(JohnMauchly)博士和埃克特博士(J.PresperEckert)等人在宾夕法尼亚高校设计制造的。起名叫ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)，ENIAC的诞生，为计算机和信息产业的发展奠定了基础，它在美国陆军弹道探讨所运行了约十年，始终工作到1955年。两个主要缺点：一是存储容量太小二是准备时间太长。 世界上第一台具有存储程序功能的计算机叫EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，译作“埃德瓦克”)，它是由曾担当ENIAC小组顾问的著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼(Von·Neumann)博士领导设计的。冯·诺依曼提出的存储程序和程序限制的理论，及他首先确立的计算机硬件由输入部件、输出部件、运算器、存储器、限制器五个基本部件组成的基本结构和组成的思想，奠定了现代计算机的理论基础，计算机发展至今，整个四代计算机统称为冯·诺依曼结构计算机，世人也称冯·诺依曼为“计算机鼻祖”。

世界上第一台投入运行的存储程序式的电子计算机是EDSAC(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator，译作“埃德沙克”)，该机于1949年5月制成并投入运行，比EDVAC早一年多。 从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模、超大规模集成电路计算机的发展道路，现在正在向智能计算机和神经网络计算机的方向发展。

以计算机所接受的元器件划分计算机的发展阶段20世纪40年头末到50年头中期的计算机都是接受电子管元件组成的,此时计算机称为第一代计算机,也就是电子管时代的计算机。20世纪50年头中期,晶体管独创了,它使计算机技术产生了革命性的变更。晶体管很快代替电子管用到计算机上，形成了其次代计算机，即晶体管计算机时代。20世纪60年头中期,半导体工艺的发展,制造成功了集成电路,计算机也起先接受中小规模集成电路作为计算机的主要元件，故第三代计算机又称为中小规模集成电路计算机时代。1971年起,第四代——大规模超大规模集成电路计算机时代。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高。计算机的发展大致分为四个时期，大型机时期、小型机时期、PC机时期（或客户/服务器、PC/服务器）时期和Internet（或以网络为中心）时期。⑴大型机时期(1946年—70年头初)：70年头