计算机系统概述

计算机系统概述信息化是当今社会发展的主流，信息技术是当今世界崭新的生产力，信息产业也已成为当今全球第一大产业，计算机技术则是重要支柱。随着计算机科学技术的发展和应用，以及它对人类社会产生的巨大影响，“掌握和应用计算机”的能力已成为当今衡量个人素质高低的重要标志。通过本章的学习，除对计算机有基本的认识外，也为后面了解计算机的相关知识打下良好基础。计算机的基本知识1.1.1计算机的发展历程．第一台电子计算机第一台电子计算机于年月在美国诞生，称为“埃尼阿克”（，），即电子数值积分计算机。它具有计算速度快、精度高、能按给定的程序自动计算等特点。共用了多只电子管，重量达吨，占地平方米，每小时耗电千瓦，真可谓“庞然大物”，它不仅存储容量小，而且全部指令还没有存放在存储器中；它的操作相当复杂，稳定性差，它采用线路连接的方法编排程序，每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。但在当时，这台计算机的运算速度是惊人的，每秒钟能做次加法运算，毫秒便可进行一次乘法运算，与手工计算相比大大加快了，秒钟射程的导弹弹道计算时间由手工计算的分钟缩短到秒，它开创了计算机的新纪元，把人们从奴隶般的计算中解放出来了。．冯·诺依曼结构计算机针对在存储程序方面存在的致命弱点，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（）于年月提出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含三个要点：采用二进制数的形式表示数据和指令。将指令和数据按执行顺序都存放在存储器中。由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备大部分组成计算机。其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”，就是通常所说的“顺序存储程序”的概念。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯·诺依曼体系结构计算机”。早期按照冯·诺依曼体系结构设计的计算机有以下几种。（）“埃德瓦克”（，）：即电子离散变量计算机。它是第一个按照存储程序原理设计的计算机。运算速度比提高了倍，直到年才投入运行，主要用于核武器的理论计算。（）“埃德沙克”（，）：即电子延迟存储自动计算机。它是第一次实现的“大型存储程序计算机”。在年投入运行，是第一台投入运行的存储程序计算机。（）“尤尼瓦克”（，）：即通用自动计算机。年作为商品计算机投入使用，开创了用于数据处理的计算机新时代。冯·诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑，冯·诺依曼则被称为“计算机之父”，直到现在，各类计算机仍然没有完全突破冯·诺依曼系统结构的框架。．计算机的发展（按计算机的逻辑部件划分）随着所采用的电子器件的变化，计算机已经历了代演变。（）第一代——电子管计算机时代（—）：采用水银延迟线作内存储器，磁鼓作外存储器。体积大、耗电多、运算速度慢。最初只能使用二进制数表示的机器语言，很不方便，到世纪年代中期以后才出现汇编语言。这个时期，计算机主要用于科学计算和军事方面，使用不普遍。（）第二代——晶体管计算机时代（—）：其内存储器主要采用磁芯，外存储器采用磁盘，输入和输出设备也有了较大改进。这一代计算机体积显著减小、可靠性显著提高、运算速度最高可达每秒百万次。在软件方面有了高级程序设计语言和编译系统。计算机开始广泛应用于以管理为目的的信息处理。（）第三代——中、小规模集成电路计算机时代（—）：固体组件计算机。存储器容量可达～，运算速度每秒几百万至几千万次，可靠性等方面也有了较大提高。体积进一步缩小，成本进一步降低。软件进步很大：有了操作系统（，）；开展了计算机语言的标准化工作并提出结构化程序设计方法；出现了计算机网络。计算机应用开始向社会化发展，其应用领域和普及程度迅速扩大。（）第四代——大规模及超大规模集成电路计算机时代（至今）。大规模集成电路的出现使计算机发生了巨大的变化，内存储器已由磁芯存储器过渡到半导体存储器，而且集成度越来越高；同时出现了微处理器（把控制器、运算器等部件制作在一块芯片上的超大规模集成电路中），从而推出了微型计算机。微型计算机的出现与发展是计算机历史上的重大事件，使得计算机在存储容量、运算速度、可靠性和性能价格比等方面都比上一代计算机有了较大突破。各种系统软件和应用软件大量推出，充分发挥了计算机的性能，使计算机几乎应用到所有领域，成为人类社会活动中不可缺少的工具。从世纪年代初到现在，第四代计算机有了很大发展。主要表现为数据宽度、处理速度、存储容量等技术性能飞速提高；系统软件、应用软件丰富多彩，功能配置空前完善；价格越来越低，应用越来越广泛。从发展角度看，具有向两极化（巨型机、微型机）、网络化、多媒体（）化和智能化发展的趋势。．我国计算机的发展华罗庚教授是我国计算机技术的奠基人，也是我国第一台计算机主要创始人之一。早在世纪年代末，他在美国普林斯顿高级研究院任访问研究员时，就经常与冯·诺依曼交流3/14学术问题。年华罗庚教授回国。在年国家制定的“十二年科学技术远景规划纲要”中，计算机技术被列为四大紧急任务之首，并聘请他担任计算机技术规划组组长。年在中国科学院数学研究所内成立了我国第一个计算机科研小组。我国的计算机事业自年制定“十二年科学技术远景规划纲要”时起步，经历了从无到有、从小到大的艰苦历程。回顾历史，大致可分为三个阶段。（）第一阶段（—）：我国的计算机事业从年开始起步，年试制出第一台晶体管计算机，年研制成功第一台集成电路计算机，为我国的计算机产业奠定了坚实基础。（）第二阶段（—）：这个阶段面向用户和生产的需要，重点发展了系列机。其中的两个微型机系列分别与国际主流的、系列机兼容。除此之外，还针对中国国情开展了汉字数字化、信息化、智能化的研究工作，并取得巨大成果。（）第三阶段（至今）：这一阶段重点发展微型机、小型机、外部设备及软件，因此我国的微型机产业和计算机应用得到迅猛发展。长城、联想、浪潮、同创、方正等国产微型机相继推出；各种汉字办公软件、电子排版印刷系统也一个接一个地问世；计算机应用于核能利用、空间技术、地质勘探、气象预报、工业控制等领域。现在我国不但可以系列化、成批地生产各类微型机，而且还研制出了“银河”系列巨型机、曙光系列并行机。我国的计算机事业在研制、生产和应用各个方面都将跻身于世界先进国家行列。1.1.2计算机分类计算机的种类很多，随着它的发展和新机型的出现，分类方法也在不断变化，当前沿用较多的是“电气与电子工程师协会”（）于年提出的一种分类方法。它将计算机分为以下种。（）个人计算机（，）：即面向个人或家庭使用的低档微型计算机。（）工作站（，）：是介于和小型机之间的高档微型机。通常配备有大屏幕显示器和大容量存储器，并具有较强的网络通信功能，多用于计算机辅助设计和图像处理（网络系统中的用户节点也称为工作站，两者完全不是一回事，防止混淆）。（）小型计算机（）：结构简单、成本较低、易于维护和使用。其规模按照满足一个中、小型部门的工作需要进行设计和配置。（）主机（）：具有大容量存储器、多种类型的（输入输出）通道，能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。其规模按照满足一个大、中型部门的工作需要进行设计和配置。（）小巨型计算机（）：也称为桌上型超级计算机。其与巨型计算机相比，最大的特点是价格便宜，具有更好的性能价格比。（）巨型计算机（）：也称超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵。多应用于尖端科技领域。生产这类计算机的能力可以反映一个国家的计算机科学水平。我国是世界上生产巨型计算机的少数国家之一。1.1.3计算机的应用计算机以不同的形式应用于各行各业，几乎遍及所有领域。随着计算机技术的发展，其应用形式和应用领域更是千变万化、日新月异。因此很难使用一种固定模式对其进行归纳。．传统分类方法——按计算机工作的性质划分（）数值计算（又称为科学计算）：是计算机应用最早也是最成熟的应用领域。随着人们对客观世界认识的日益深化，越来越多的研究工作从定性转向了定量，涉及的数学模型和计算工作规模也越来越庞大。因此，在现代科学研究和工程设计中，计算机已成为必不可少的计算工具。例如，人造卫星轨道的计算、宇宙飞船的制导、天体演化形态学的研究、可控热核反应、气象预报等，都是借助计算机来进行计算工作的。（）数据处理：数据处理指的是对信息进行采集、加工、存储、传送，并进行综合分析。这已成为信息社会中必不可少的重要工作。现在，用于企事业单位的各种管理信息系统（如财务、计划、物资、人事等的管理），用于文字处理的编辑排版系统和办公自动化系统，用于图像处理的图像信息系统，用于图书资料查询的情报检索系统等，都属于计算机在数据处理方面的应用。据统计，现在世界上约％的计算机用于数据处理工作。（）过程控制（又称为实时控制）：将计算机用来控制各种自动装置、自动仪表、生产过程等，都称为过程控制（或实时控制）。例如，工业生产自动化方面的巡回检测、自动记录、监视报警、自动启停、自动调控等内容；交通运输方面的行车调度，农业方面人工气候箱的温、湿度控制；家用电器中的某些自动控制功能等，都是计算机在过程控制方面的应用。（）计算机辅助功能：计算机辅助设计（，）。计算机辅助制造（，）。计算机辅助测试（，）。计算机辅助工程（，）。计算机辅助教学（，）。（）人工智能(，)：这是计算机应用的一个较新领域，它是用计算机执行某些与人的智能活动有关的复杂功能。目前研究的方向主要有：模式识别、自然语言理解、自动定理证明、自动程序设计、知识表示、机器学习、专家系统、机器人等。．现代分类方法——按计算机现代应用划分（）办公自动化（，）：它是计算机技术、通信技术与自动化技术相结合的产物,是当前最为广泛的一类应用。包括以下几种类型。①事务型：又称电子数据处理系统（，）或业务信息系统。如公文的编辑与打印、报表的填写与统计、文档检索、活动安排及其他数据处理等。②管理型：又称管理信息系统（，）。它是在事务型的基础上又增加了各项专业管理功能，如人事信息管理、财务信息管理、计划信息管理、统计信息管理、仓库信息管理、超市信息管理、档案信息管理、病例信息管理等，支持本单位的信息管理工作。③决策型：它是在事务型和管理型的基础上增加决策辅助功能而构成的。高级的决策支持系统（，）包含有数据库、知识库、模型库和方法库等，通过对大量历史数据和当前数据的统计、分析，预测在不同决策下可能产生的结果。5/14（）生产自动化：包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机集成制造系统等。①计算机辅助设计：具有快速改变产品设计参数、优化设计方案、动态显示产品投影图与立体图、输出图纸等功能，从而降低产品的试制成本，缩短产品设计周期。②计算机辅助制造：根据加工过程编写“数控加工程序”，由此程序控制“数控机床”完成工件加工，这就是计算机辅助制造。现代的计算机辅助制造系统中通常存有加工资料的数据库（如刀具、夹具等）和控制加工的程序，能在加工过程中自动换刀并给出数据，一次自动完成多道复杂的工序。③计算机集成制造系统（，）：是集设计、制造、管理三大功能于一体的现代化工厂生产系统，代表一种新型的生产模式，具有生产效率高、生产周期短等特点。（）数据库应用：数据库是在计算机存储设备中按某种关联方式存放的一批数据。借助数据库管理系统（，）可对其中的数据实施控制、管理和使用。如科技情报检索系统、银行储户管理系统、飞机票售票系统、火车票售票系统等。根据数据存放地点的差异，可将数据库分为集中式和分布式两类，集中式数据库的数据集中在一台计算机上；分布式数据库的数据则分散在多台计算机内。数据库在计算机现代应用中占有非常重要的地位。（）网络应用：计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同的功能独立的多台计算机系统互连起来，并在网络软件支持下实现资源共享和信息交换的系统。根据计算机之间信息传输距离的远近和覆盖范围的大小，将计算机网络分为“局域网”（，）、“城域网”（，）和“广域网”（，）。计算机网络应用使人类进入了信息化社会。计算机网络在当今社会起到了举足轻重的作用，例如：①进行网上浏览、检索信息、下载软件，可以充分享受网络资源。②收发电子邮件（）、传真（）、传送文件（）、公告板服务（）、参加网络会议（），可以通过多种方式实现通信。③阅读电子