计算机系统

第一节　计算机系统

一、计算机发展概述

1．计算机的产生和发展

1946年2月15日，由穆奇里博士设计的世界上第一台电子计算机ENIAC（the electronic numerical integrator and calculator）诞生了。在此后的半个多世纪里，计算机的制造技术和使用方法已经发生了巨大的变化，目前已发展到第五代。

（1）第一代（1946—1955年）：主要元件是电子管。那时的计算机主要用于科学计算和军事研究。代表机型有IBM650（小型机）、IBM709（大型机）。

（2）第二代（1955—1964年）：主要元件是晶体管。那时的计算机已扩展到过程控制和数据处理等方面。代表机型有IBM7094、CDC7600。

（3）第三代（1964—1971年）：基本元件为中、小规模的集成电路。这代计算机已广泛应用于自动控制、数据处理、企业管理和科学计算等方面。代表机型有IBM360。

（4）第四代（1971年至今）：主要元件为大规模和超大规模集成电路。此时，微机的出现使计算机进入到各个领域。计算机开始向巨型化、微型化、网络化和智能化等方向发展。

（5）第五代计算机：又称新一代计算机，它是目前各先进国家竞相研制的计算机。其特点是：具有人类的智能与智慧，能模拟人的思维过程和智能活动，并能与人类自然交换信息。

2．计算机的分类

电子计算机从广义上说应分为两大类型：电子模拟计算机和电子数字计算机。模拟量的处理和存储比较复杂，技术难度大且不易实现。因此，电子数字计算机成为信息处理装置的主流。通常所说的计算机就是指电子数字计算机。根据国际流行的分类方法，电子数字计算机可以分为6大类。

（1）巨型计算机（supercomputer）：又称超级电脑，用于尖端科技、宏观经济分析等领域。

（2）小巨型计算机（mini－supercomputer）：是桌上型超级电脑。

（3）大型主机（mainframe）：即是通常所说的大、中型计算机。

（4）小型计算机（mini－computer）：即具有多个终端的计算机。

（5）个人计算机（personal computer，PC）：即微型计算机。

（6）工作站（workstation）：相当于高档微机，常用于特殊业务处理。

3．微型计算机的发展

微型计算机简称微机，其核心部件是中央处理器（微处理器）。微处理器的发展代表了微机的发展。1971年Intel公司制造出了第一块微处理器芯片，至今微机已经历了5代的发展。

（1）第一代微机是4位微处理器，代表芯片为Intel4004。

（2）第二代微机是8位微处理器，代表芯片为Intel8008、M6800。

（3）第三代微机是16位微处理器，代表芯片为Intel8086、Intel80286。

（4）第四代微机是32位微处理器，代表芯片为Intel80386、Intel80486。

（5）第五代微机是64位微处理器，代表芯片为Intel PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ。

4．计算机的特点

计算机已经广泛应用到各行各业之中。其主要特点是：计算速度快、精度高、通用性强、自动化程度高，并具有很强的记忆和逻辑判断能力，能持续稳定地工作。

5．计算机的应用领域

计算机的应用已经深入到我们的生产和生活中，其中主要涉及数值计算、数据处理、自动控制、计算机辅助设计与辅助制造、计算机辅助教学、办公自动化、人工智能以及计算机网络等领域。

二、计算机系统组成

1．计算机系统的组成

计算机系统主要包括两大部分：硬件系统和软件系统，两者相辅相成，组成一个完整的计算机系统，如图3 1所示。

图3 1 计算机系统组成

2．计算机的工作原理

存储程序原理是计算机自动连续工作的基础，它是1946年由冯·诺依曼所领导的研究小组正式提出并论证的，其基本思想是：

（1）采用二进制形式表示数据和指令。

（2）将程序事先存入主存储器中，使计算机在工作时能够自动从内存中取指令加以执行。

（3）由运算器、控制器、内存储器、输入／输出设备5大基本部件组成计算机系统，如图3 2所示。

图3 2 计算机的基本结构

3．计算机系统的性能指标

（1）字长：是指计算机能直接处理的H进制的位数，单位为位（bit）。

（2）主频：是指计算机CPU的时钟频率，单位为兆赫（MHz）。

（3）运算速度：是指计算机每秒钟能执行的指令数，单位为百万条指令／秒（MI／s）。

（4）内存容量：是指内存储器能够存储信息的总字节数，单位为兆字节（MB）。

（5）存取周期：是指存储器连续两次完成读／写操作所需的最短时间，单位为mμs。存取周期越短，则存取速度越快。存取周期的大小影响计算机的运算速度。

4．计算机硬件系统

（1）运算器：运算器又称算术逻辑单元（arithmetic logic unit，简称ALU），其主要功能是算术运算和逻辑运算。计算机的最主要的工作就是运算，大量的数据运算任务是在运算器中完成的。但是运算器只能做最简单的运算，复杂运算必须通过基本运算一步步实现。进行运算的数据取自内存，运算结果也送回内存，运算器对内存的读写操作是在控制器的控制之下进行的。

（2）控制器：控制器是计算机的指挥中心。其工作过程为：首先从内存中取出指令，并对指令进行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制信号，从而控制它们执行指令所规定的功能。当各部件执行完控制器发来的指令后，会向控制器反馈执行情况，计算机就是这样逐一执行程序中的指令来完成各项任务的。运算器和控制器共同组成中央处理器（central processing unit，简称CPU），它是计算机的核心。

（3）存储器：主要功能是存放程序和数据，它通常分为内存储器和外存储器。内存储器又称为主存，它与计算机的各个部件进行数据传输。内存储器又分为ROM（read only memory，只读存储器）和RAM（random access memory，随机存储器），即可读可写。外存储器不属主机内设备，其存储容量往往比内存大得多，但存取速度慢。常用外存储器有磁盘、光盘和U盘等。

（4）输入设备：用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转换为计算机可识别的形式存到存储器中。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、传声器等。

（5）输出设备：用于将存放在存储器中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、音像等。

（6）其他设备：除了基本的5大部件外，现在微机中还会安装声卡、视频卡、调制解调器等外部设备。

5．计算机软件系统

计算机软件系统是计算机程序、程序所使用的数据以及有关文档资料的集合。软件一般分为系统软件和应用软件。

（1）系统软件：系统软件是指管理、监督和维护计算机资源的软件。主要包括操作系统（如Windows 2000、UNIX、DOS等）、语言处理系统（如C＋＋、PASCAL等）和服务程序。

（2）应用软件：应用软件是直接完成某种具体应用的软件，从简单的工资管理程序到某一单位的管理信息系统，都是应用软件的范畴。如Office 2000、PhotoShop和WPS等。