第一節(jié)　計算機(jī)系統(tǒng)

一、計算機(jī)發(fā)展概述

1．計算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展

1946年2月15日，由穆奇里博士設(shè)計的世界上第一臺電子計算機(jī)ENIAC（the electronic numerical integrator and calculator）誕生了。在此后的半個多世紀(jì)里，計算機(jī)的制造技術(shù)和使用方法已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，目前已發(fā)展到第五代。

（1）第一代（1946—1955年）：主要元件是電子管。那時的計算機(jī)主要用于科學(xué)計算和軍事研究。代表機(jī)型有IBM650（小型機(jī)）、IBM709（大型機(jī)）。

（2）第二代（1955—1964年）：主要元件是晶體管。那時的計算機(jī)已擴(kuò)展到過程控制和數(shù)據(jù)處理等方面。代表機(jī)型有IBM7094、CDC7600。

（3）第三代（1964—1971年）：基本元件為中、小規(guī)模的集成電路。這代計算機(jī)已廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)據(jù)處理、企業(yè)管理和科學(xué)計算等方面。代表機(jī)型有IBM360。

（4）第四代（1971年至今）：主要元件為大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。此時，微機(jī)的出現(xiàn)使計算機(jī)進(jìn)入到各個領(lǐng)域。計算機(jī)開始向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方向發(fā)展。

（5）第五代計算機(jī)：又稱新一代計算機(jī)，它是目前各先進(jìn)國家競相研制的計算機(jī)。其特點(diǎn)是：具有人類的智能與智慧，能模擬人的思維過程和智能活動，并能與人類自然交換信息。

2．計算機(jī)的分類

電子計算機(jī)從廣義上說應(yīng)分為兩大類型：電子模擬計算機(jī)和電子數(shù)字計算機(jī)。模擬量的處理和存儲比較復(fù)雜，技術(shù)難度大且不易實(shí)現(xiàn)。因此，電子數(shù)字計算機(jī)成為信息處理裝置的主流。通常所說的計算機(jī)就是指電子數(shù)字計算機(jī)。根據(jù)國際流行的分類方法，電子數(shù)字計算機(jī)可以分為6大類。

（1）巨型計算機(jī)（supercomputer）：又稱超級電腦，用于尖端科技、宏觀經(jīng)濟(jì)分析等領(lǐng)域。

（2）小巨型計算機(jī)（mini－supercomputer）：是桌上型超級電腦。

（3）大型主機(jī)（mainframe）：即是通常所說的大、中型計算機(jī)。

（4）小型計算機(jī)（mini－computer）：即具有多個終端的計算機(jī)。

（5）個人計算機(jī)（personal computer，PC）：即微型計算機(jī)。

（6）工作站（workstation）：相當(dāng)于高檔微機(jī)，常用于特殊業(yè)務(wù)處理。

3．微型計算機(jī)的發(fā)展

微型計算機(jī)簡稱微機(jī)，其核心部件是中央處理器（微處理器）。微處理器的發(fā)展代表了微機(jī)的發(fā)展。1971年Intel公司制造出了第一塊微處理器芯片，至今微機(jī)已經(jīng)歷了5代的發(fā)展。

（1）第一代微機(jī)是4位微處理器，代表芯片為Intel4004。

（2）第二代微機(jī)是8位微處理器，代表芯片為Intel8008、M6800。

（3）第三代微機(jī)是16位微處理器，代表芯片為Intel8086、Intel80286。

（4）第四代微機(jī)是32位微處理器，代表芯片為Intel80386、Intel80486。

（5）第五代微機(jī)是64位微處理器，代表芯片為Intel PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ。

4．計算機(jī)的特點(diǎn)

計算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)之中。其主要特點(diǎn)是：計算速度快、精度高、通用性強(qiáng)、自動化程度高，并具有很強(qiáng)的記憶和邏輯判斷能力，能持續(xù)穩(wěn)定地工作。

5．計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

計算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到我們的生產(chǎn)和生活中，其中主要涉及數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理、自動控制、計算機(jī)輔助設(shè)計與輔助制造、計算機(jī)輔助教學(xué)、辦公自動化、人工智能以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

二、計算機(jī)系統(tǒng)組成

1．計算機(jī)系統(tǒng)的組成

計算機(jī)系統(tǒng)主要包括兩大部分：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，兩者相輔相成，組成一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)，如圖3 1所示。

圖3 1 計算機(jī)系統(tǒng)組成

2．計算機(jī)的工作原理

存儲程序原理是計算機(jī)自動連續(xù)工作的基礎(chǔ)，它是1946年由馮·諾依曼所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正式提出并論證的，其基本思想是：

（1）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。

（2）將程序事先存入主存儲器中，使計算機(jī)在工作時能夠自動從內(nèi)存中取指令加以執(zhí)行。

（3）由運(yùn)算器、控制器、內(nèi)存儲器、輸入／輸出設(shè)備5大基本部件組成計算機(jī)系統(tǒng)，如圖3 2所示。

圖3 2 計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

3．計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)

（1）字長：是指計算機(jī)能直接處理的H進(jìn)制的位數(shù)，單位為位（bit）。

（2）主頻：是指計算機(jī)CPU的時鐘頻率，單位為兆赫（MHz）。

（3）運(yùn)算速度：是指計算機(jī)每秒鐘能執(zhí)行的指令數(shù)，單位為百萬條指令／秒（MI／s）。

（4）內(nèi)存容量：是指內(nèi)存儲器能夠存儲信息的總字節(jié)數(shù)，單位為兆字節(jié)（MB）。

（5）存取周期：是指存儲器連續(xù)兩次完成讀／寫操作所需的最短時間，單位為mμs。存取周期越短，則存取速度越快。存取周期的大小影響計算機(jī)的運(yùn)算速度。

4．計算機(jī)硬件系統(tǒng)

（1）運(yùn)算器：運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元（arithmetic logic unit，簡稱ALU），其主要功能是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。計算機(jī)的最主要的工作就是運(yùn)算，大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算任務(wù)是在運(yùn)算器中完成的。但是運(yùn)算器只能做最簡單的運(yùn)算，復(fù)雜運(yùn)算必須通過基本運(yùn)算一步步實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)取自內(nèi)存，運(yùn)算結(jié)果也送回內(nèi)存，運(yùn)算器對內(nèi)存的讀寫操作是在控制器的控制之下進(jìn)行的。

（2）控制器：控制器是計算機(jī)的指揮中心。其工作過程為：首先從內(nèi)存中取出指令，并對指令進(jìn)行分析，然后根據(jù)指令的功能向有關(guān)部件發(fā)出控制信號，從而控制它們執(zhí)行指令所規(guī)定的功能。當(dāng)各部件執(zhí)行完控制器發(fā)來的指令后，會向控制器反饋執(zhí)行情況，計算機(jī)就是這樣逐一執(zhí)行程序中的指令來完成各項(xiàng)任務(wù)的。運(yùn)算器和控制器共同組成中央處理器（central processing unit，簡稱CPU），它是計算機(jī)的核心。

（3）存儲器：主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)，它通常分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器又稱為主存，它與計算機(jī)的各個部件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)存儲器又分為ROM（read only memory，只讀存儲器）和RAM（random access memory，隨機(jī)存儲器），即可讀可寫。外存儲器不屬主機(jī)內(nèi)設(shè)備，其存儲容量往往比內(nèi)存大得多，但存取速度慢。常用外存儲器有磁盤、光盤和U盤等。

（4）輸入設(shè)備：用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的形式存到存儲器中。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀、傳聲器等。

（5）輸出設(shè)備：用于將存放在存儲器中由計算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯芙邮艿男问?。常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音像等。

（6）其他設(shè)備：除了基本的5大部件外，現(xiàn)在微機(jī)中還會安裝聲卡、視頻卡、調(diào)制解調(diào)器等外部設(shè)備。

5．計算機(jī)軟件系統(tǒng)

計算機(jī)軟件系統(tǒng)是計算機(jī)程序、程序所使用的數(shù)據(jù)以及有關(guān)文檔資料的集合。軟件一般分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

（1）系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件是指管理、監(jiān)督和維護(hù)計算機(jī)資源的軟件。主要包括操作系統(tǒng)（如Windows 2000、UNIX、DOS等）、語言處理系統(tǒng)（如C＋＋、PASCAL等）和服務(wù)程序。

（2）應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件是直接完成某種具體應(yīng)用的軟件，從簡單的工資管理程序到某一單位的管理信息系統(tǒng)，都是應(yīng)用軟件的范疇。如Office 2000、PhotoShop和WPS等。