計算機組成與結構

1、1計算機組成與結構1王曉榮2013.32前言：前言：計算機組成與結構計算機組成與結構是計算機及其相關專業(yè)的專業(yè)是計算機及其相關專業(yè)的專業(yè)必修課，在專業(yè)教學中起著承上啟下的作用。計算機組成必修課，在專業(yè)教學中起著承上啟下的作用。計算機組成是指計算機硬件的具體實現；計算機結構是系統程序員所是指計算機硬件的具體實現；計算機結構是系統程序員所能見到的計算機的硬件特性。能見到的計算機的硬件特性。 課程內容包括十章：課程內容包括十章：1. 計算機系統概述計算機系統概述 2. 計算機的邏輯部件計算機的邏輯部件3.數據表示方法和運算部件數據表示方法和運算部件 4. 主存儲器主存儲器 5. 指令系統指令系統 6

2、. 中央處理部件中央處理部件 7. 存儲系統存儲系統 8. 輸入輸出系統輸入輸出系統 9. 計算機系統結構計算機系統結構 10. 計算機的硬件設計和系統結構的新發(fā)展計算機的硬件設計和系統結構的新發(fā)展 3學習中要注重基本概念、基本思想和基本方法學習中要注重基本概念、基本思想和基本方法的學習，理解計算機系統的工作原理和設計方法，的學習，理解計算機系統的工作原理和設計方法，掌握分析和設計計算機系統的知識，提高學習和應掌握分析和設計計算機系統的知識，提高學習和應用計算機的能力。用計算機的能力。 課程包括課程包括理論教學和實驗理論教學和實驗兩大部分。兩大部分。 其中講課其中講課52學時，實驗學時，實驗1

3、2學時。學時。 要求要求: 聽課做筆記，聽課做筆記，實驗必須參加實驗必須參加，聽課和作業(yè)，聽課和作業(yè)不得少于不得少于1/3。 考試占總成績的考試占總成績的70%，平時聽課，平時聽課出勤、實驗出勤、實驗和作業(yè)占和作業(yè)占30%。4第第1 1章章 計算機系統概述計算機系統概述1.1 計算機的硬件和軟件1.2 計算機系統的層次結構和性能指標1.3 計算機的發(fā)展和應用5第1章 計算機系統概述1.1 1.1 計算機的硬件和軟件計算機的硬件和軟件一、一、用計算機解決實際問題的過程用計算機解決實際問題的過程n人類相互交流信息所用的語言稱為自然語言。人類相互交流信息所用的語言稱為自然語言。n 人們希望找到一種和

4、自然語言接近，并能為計人們希望找到一種和自然語言接近，并能為計算機接受的語言，這種語言被稱為計算機的算機接受的語言，這種語言被稱為計算機的高級高級語言語言。n 最初在計算機中使用的不是高級語言。最初在計算機中使用的不是高級語言。6n常用于科學計算和數據處理的高級語言有：常用于科學計算和數據處理的高級語言有：C,BASIC，FORTRAN，ALGOL，PASCAL，COBOL和和Ada等。等。n 常用于人工智能的語言有常用于人工智能的語言有LISP和和PROLOG等。等。用這些語言編寫的程序是由英文字母、數字、運用這些語言編寫的程序是由英文字母、數字、運算符號等按照一定的語法規(guī)則組成的。算符號等

5、按照一定的語法規(guī)則組成的。7目前的通用計算機不會直接執(zhí)行用高級語言編目前的通用計算機不會直接執(zhí)行用高級語言編寫的程序，而是先將其翻譯成機器能執(zhí)行的語言，寫的程序，而是先將其翻譯成機器能執(zhí)行的語言，稱為稱為機器語言機器語言(由二進制代碼表示的指令組成由二進制代碼表示的指令組成)，再在機器上運行，因此解題的過程可歸結為：再在機器上運行，因此解題的過程可歸結為：(1) 程序員用高級語言編寫程序；程序員用高級語言編寫程序；(2) 將程序與數據輸入計算機，并由計算機將程序將程序與數據輸入計算機，并由計算機將程序翻譯成機器語言程序，保存在計算機的存儲器翻譯成機器語言程序，保存在計算機的存儲器中；中；(3)

6、 運行程序，輸出結果。運行程序，輸出結果。8在計算機中能執(zhí)行的程序是由在計算機中能執(zhí)行的程序是由組成的，組成的，因此計算機執(zhí)行程序的過程，實際上就是按照給因此計算機執(zhí)行程序的過程，實際上就是按照給定次序執(zhí)行一組指令的過程。定次序執(zhí)行一組指令的過程。一條指令通常分成兩部分：一條指令通常分成兩部分：(1) 操作碼：操作碼：規(guī)定該指令執(zhí)行什么樣的運算規(guī)定該指令執(zhí)行什么樣的運算( (或操或操作作) )，因此被命名為操作碼。，因此被命名為操作碼。(2) 地址碼：地址碼：規(guī)定對哪些數據進行運算，通常表規(guī)定對哪些數據進行運算，通常表示的是數據地址，因此被稱為地址碼。示的是數據地址，因此被稱為地址碼。ADD

7、A,BSUB A,BMOV A,BADD A,BSUB MOV A,B A,B INC A DEC A HALT9由于二進制碼不易辨認，因此往往用符號來表示一條指令 。用機器語言編寫程序，比用高級語言麻煩得多，用機器語言編寫程序，比用高級語言麻煩得多，因為一條機器指令的功能比一條高級語言的語句因為一條機器指令的功能比一條高級語言的語句功能弱很多。功能弱很多。10二、計算機的硬件結構 John Von Neumann（馮（馮.諾依曼）諾依曼） 美籍匈牙利美籍匈牙利數學家，數學家，1946年年關于電子計算儀器邏輯設計的關于電子計算儀器邏輯設計的初步探討初步探討報告提出報告提出“存儲程序控制存儲程序

8、控制”的概念。的概念。組成計算機的基本部件有中央處理器組成計算機的基本部件有中央處理器CPU(運運算器和控制器算器和控制器)、存儲器和輸入輸出設備。、存儲器和輸入輸出設備。11輸入器運算器存儲器控制器輸出器原始數據計算步驟計算結果CPU12輸入設備輸入設備用來輸入原始數據和處理這些數據的程序。用來輸入原始數據和處理這些數據的程序。輸入的信息有數字符、字母和控制符等。輸入的信息有數字符、字母和控制符等。輸出設備輸出設備用來輸出計算機的處理結果。最常用的輸用來輸出計算機的處理結果。最常用的輸入輸出設備是顯示終端和打印機，終端設備采用鍵盤作為入輸出設備是顯示終端和打印機，終端設備采用鍵盤作為輸入工具

9、，處理結果顯示在屏幕上。輸入工具，處理結果顯示在屏幕上。存儲器存儲器用來存放程序和數據，是計算機各種信息的用來存放程序和數據，是計算機各種信息的存儲和交流中心。存儲器可與存儲和交流中心。存儲器可與CPU、輸入輸出設備交換信、輸入輸出設備交換信息，起存儲、緩沖、傳遞信息的作用。息，起存儲、緩沖、傳遞信息的作用。 存儲器又有主存儲器和輔助存儲器之分。當前在計算存儲器又有主存儲器和輔助存儲器之分。當前在計算機上運行的程序和數據是存放在主存儲器中的。機上運行的程序和數據是存放在主存儲器中的。13中央處理器又叫中央處理器又叫CPUCPU，在早期的計算，在早期的計算機中分成運算器和控制器兩部分機中分成運算

10、器和控制器兩部分，由于，由于電路集成度的提高，現在已把它們集成在一個芯電路集成度的提高，現在已把它們集成在一個芯片中。片中。運算器運算器是對信息或數據進行處理和運算的部是對信息或數據進行處理和運算的部件，經常進行的是算術運算和邏輯運算，所以在件，經常進行的是算術運算和邏輯運算，所以在其內部有一個算術及邏輯運算部件其內部有一個算術及邏輯運算部件(ALU)。在計算機中，一些復雜的運算往往被分解成一系列算術運算和邏輯運算。14控制器控制器主要用來實現計算機本身運行過程的主要用來實現計算機本身運行過程的自動化，即實現程序的自動執(zhí)行。在控制器控制自動化，即實現程序的自動執(zhí)行。在控制器控制之下，從輸入設備

11、輸入程序和數據，并存放在存之下，從輸入設備輸入程序和數據，并存放在存儲器中，然后由控制器指揮各部件協同工作以執(zhí)儲器中，然后由控制器指揮各部件協同工作以執(zhí)行程序，最后將結果輸出。作為控制用的計算機行程序，最后將結果輸出。作為控制用的計算機則直接控制對象。則直接控制對象。在計算機中，各部件間來往的信號可分成三種在計算機中，各部件間來往的信號可分成三種類型，即地址、數據和控制信號。通常這些信號類型，即地址、數據和控制信號。通常這些信號是通過總線傳送的，如圖是通過總線傳送的，如圖1.11.1所示。所示。 15圖1.1 以總線連接的計算機框圖16現代計算機三大部分結構圖：現代計算機三大部分結構圖：輸入設

12、備輸入通道輸出設備輸出通道I/O算術邏輯單元ALU控制器 CUCPU主存儲器M.MI/O總線存儲總線17計算機硬件的典型結構：計算機硬件的典型結構： 小型機的總線型結構有：小型機的總線型結構有：(1) CPU為中心為中心的雙總線結構的雙總線結構CPUM.MI/O接口I/O設備I/O接口I/O設備.輸入/輸出總線存儲總線18(2)(2)單總線結構單總線結構CPUM.MI/O接口I/O設備I/O接口I/O設備.系統總線19CPUM.MI/O接口I/O設備I/O接口I/O設備.系統總線存儲總線(3) 以存儲器為中心的雙總線結構以存儲器為中心的雙總線結構20微型機的一般結構：（仍屬于單總線結構）微型機

13、的一般結構：（仍屬于單總線結構）微處理器ROMRAMI/O接口I/O設備.21大中型機的通道型結構：大中型機的通道型結構：M.MCPU通道I/O控制器I/O控制器外設外設.外設外設.通道I/O控制器I/O控制器外設外設.外設外設.總線22三、三、計算機的軟件系統計算機的軟件系統一臺計算機中全部程序的集合，統稱為一臺計算機中全部程序的集合，統稱為這臺計算機的軟件系統。這臺計算機的軟件系統。 軟件按功能分為軟件按功能分為應用軟件應用軟件和和系統軟件系統軟件兩兩大類。大類。23通常系統軟件分為六類：通常系統軟件分為六類： 1. 操作系統操作系統 2. 語言處理程序語言處理程序(又分為解釋程序和編譯系

14、統又分為解釋程序和編譯系統) 3. 標準庫程序標準庫程序(如一元二次方程求根子程序如一元二次方程求根子程序,正弦函正弦函數子程序數子程序) 4. 服務性程序服務性程序(如裝入程序、連接程序、編輯程序、如裝入程序、連接程序、編輯程序、調試程序、調試程序、 故障診斷程序、糾錯程序、監(jiān)督程故障診斷程序、糾錯程序、監(jiān)督程序序 ) 5. 數據庫管理系統數據庫管理系統 6. 計算機網絡軟件。計算機網絡軟件。241.2 計算機系統的層次結構和性能指標一、計算機的層次結構：現代計算機解題的一般過程：用戶用高級語言現代計算機解題的一般過程：用戶用高級語言編寫程序，連同數據一起送入計算機編寫程序，連同數據一起送入

15、計算機(用戶程序一用戶程序一般稱為源程序般稱為源程序)，然后由計算機將其翻譯成機器語，然后由計算機將其翻譯成機器語言程序言程序(稱為目標程序稱為目標程序)，在計算機上運行后輸出結，在計算機上運行后輸出結果，其過程如圖果，其過程如圖1.2所示。所示。25圖圖1.2 計算機的解題過程計算機的解題過程 例如：例如：BASIC語言的語言的 LED d=b*b-4*a*c需要五條指令實現：設：需要五條指令實現：設：A a, B b,C c, D d, E 4程序：程序： MUL B B ; MUL A E ; MUL A C ; SUB B A ; MOV D B 26早期的計算機只有機器語言，用戶必須

16、用二進早期的計算機只有機器語言，用戶必須用二進制碼表示的機器語言編寫程序，工作量大，容易制碼表示的機器語言編寫程序，工作量大，容易出錯。而且對程序員的要求很高。出錯。而且對程序員的要求很高。 于是在于是在20世紀世紀50年代，出現了年代，出現了符號式程序設計語言，稱為，稱為匯編語言。對此，程序員可用。對此，程序員可用ADD，SUB，MUL，DIV等符號分別表示加法、減法、乘等符號分別表示加法、減法、乘法、除法的操作碼，并用符號來表示指令和數據法、除法的操作碼，并用符號來表示指令和數據的地址。的地址。匯編語言程序的大部分語句是和機器指令一一對應的。 用戶用匯編語言編寫程序后，依靠計算機將它用戶用

17、匯編語言編寫程序后，依靠計算機將它翻譯成機器語言翻譯成機器語言(二進制代碼二進制代碼)，然后再在計算機上，然后再在計算機上運行。這個翻譯過程是由運行。這個翻譯過程是由匯編程序實現的。實現的。27可以把一臺具有匯編程序的計算機看作是在實可以把一臺具有匯編程序的計算機看作是在實際機器級際機器級(硬件硬件)之上出現的一臺之上出現的一臺虛擬機器，該機，該機允許使用匯編語言編程。允許使用匯編語言編程。 稱它為虛擬機器的原因是因為它依靠了軟件稱它為虛擬機器的原因是因為它依靠了軟件(匯編程序匯編程序)才存在才存在。由于匯編語言的語法、語義結構仍然和機器語由于匯編語言的語法、語義結構仍然和機器語言基本一樣，而

18、與人的傳統解題方法相差甚遠，言基本一樣，而與人的傳統解題方法相差甚遠，因而又出現了面向題目的高級語言。隨同研制出因而又出現了面向題目的高級語言。隨同研制出來的是這些語言的翻譯程序，因此可以設想在匯來的是這些語言的翻譯程序，因此可以設想在匯編語言級之上又出現了高級語言級，它的實現是編語言級之上又出現了高級語言級，它的實現是先把先把高級語言程序翻譯成匯編語言程序或中間語言程序，然后再翻譯成機器語言程序，然后再翻譯成機器語言程序(圖圖1.3)。28圖1.3 高級語言虛擬機器的層次結構 29翻譯程序有編譯程序和解釋程序兩種。翻譯程序有編譯程序和解釋程序兩種。編譯程序編譯程序是將編寫的源程序中全部語句翻

19、譯是將編寫的源程序中全部語句翻譯成機器語言程序后，再執(zhí)行機器語言程序。成機器語言程序后，再執(zhí)行機器語言程序。解釋程序解釋程序則是在將源程序的一條語句翻譯成則是在將源程序的一條語句翻譯成機器語言以后立即執(zhí)行它，然后再翻譯執(zhí)行下一機器語言以后立即執(zhí)行它，然后再翻譯執(zhí)行下一條語句，因而效率較低。條語句，因而效率較低。ALGOL，FORTRAN，PASCAL等語言是用編譯程序進行翻譯的，等語言是用編譯程序進行翻譯的，BASIC語言有解釋和編譯兩種。語言有解釋和編譯兩種。30在在20世紀世紀80年代出現了年代出現了第4代語言(4GL)這一名這一名詞。到詞。到90年代，大量基于數據庫管理系統的年代，大量基

20、于數據庫管理系統的4GL商品化軟件已在計算機開發(fā)應用領域中獲得廣泛商品化軟件已在計算機開發(fā)應用領域中獲得廣泛應用，它以數據庫管理系統所提供的功能為核心，應用，它以數據庫管理系統所提供的功能為核心，進一步構造了開發(fā)高層應用軟件系統的開發(fā)環(huán)境。進一步構造了開發(fā)高層應用軟件系統的開發(fā)環(huán)境。例如，菜單生成、報表生成和多窗口表格設計系例如，菜單生成、報表生成和多窗口表格設計系統；圖形、圖像處理系統；決策支持系統等。統；圖形、圖像處理系統；決策支持系統等。一般我們把匯編語言稱為第一代語言一般我們把匯編語言稱為第一代語言1GL；2GL是高級程序設計語言，如是高級程序設計語言，如FORTRAN ALGOL，B

21、ASIC等；等；3GL是增強性的高級程序設計語言，是增強性的高級程序設計語言，如如PASCAL，ALGOL68，FORTRAN77等。等。314GL具有簡單易學，用戶界面友好，面向問題，具有簡單易學，用戶界面友好，面向問題，只需告訴計算機只需告訴計算機“做什么做什么”，而不必告訴計算機，而不必告訴計算機“怎么做怎么做”，應用軟件開發(fā)效率高等優(yōu)點。但也，應用軟件開發(fā)效率高等優(yōu)點。但也存在嚴重的不足。目前存在嚴重的不足。目前4GL主要面向基于數據庫應主要面向基于數據庫應用的領域，不適宜于科學計算、高速的實時系統用的領域，不適宜于科學計算、高速的實時系統和系統軟件開發(fā)。和系統軟件開發(fā)。32在上述虛擬

22、機器在上述虛擬機器M2與實際機器與實際機器M1之間還存在之間還存在一種稱為一種稱為操作系統的軟件，的軟件，操作系統是從早期的操作系統是從早期的管理程序發(fā)展而來的，是專門用來管理和控制計管理程序發(fā)展而來的，是專門用來管理和控制計算機系統的軟件和硬件資源的。算機系統的軟件和硬件資源的。操作系統合理地組織計算機的工作流程，以提操作系統合理地組織計算機的工作流程，以提高計算機系統資源的利用率；并提供給用戶使用高計算機系統資源的利用率；并提供給用戶使用計算機的良好界面，使用戶不必了解硬件和軟件計算機的良好界面，使用戶不必了解硬件和軟件的細節(jié)就可方便地使用計算機。的細節(jié)就可方便地使用計算機。33操作系統本

23、身也是一組程序，它一般是由系統操作系統本身也是一組程序，它一般是由系統程序員用程序員用C語言或匯編語言編寫的，經翻譯成機器語言或匯編語言編寫的，經翻譯成機器語言后再存入計算機中。語言后再存入計算機中。操作系統的功能是通過操作系統的命令操作系統的功能是通過操作系統的命令(例如例如DOS磁盤操作系統磁盤操作系統)或圖形人機界面或圖形人機界面(例如例如Windows窗口窗口)實現的。實現的。 因此操作系統可看作實際機器的擴充，在計算因此操作系統可看作實際機器的擴充，在計算機系統的多級層次結構中應占有一個席位，它的機系統的多級層次結構中應占有一個席位，它的位置應在實際機器之上、匯編語言機器級之下。位置

24、應在實際機器之上、匯編語言機器級之下。34圖1.4 計算機系統的多級層次結構35計算機系統是由硬件系統和軟件系統組成的，計算機系統是由硬件系統和軟件系統組成的，硬件系統和軟件系統又包含許多子系統，結構十硬件系統和軟件系統又包含許多子系統，結構十分復雜。從功能上看，現代計算機系統可分為分復雜。從功能上看，現代計算機系統可分為5 5個個層次級別：層次級別：應用程序語言處理程序及其他系統軟件操作系統機器指令系統微程序36二、計算機系統的性能指標1. 1. 主頻：主頻：2. 2. 字長：一般與運算器中的二進制位數相等字長：一般與運算器中的二進制位數相等3. 3. 運算速度：早期方法是每秒執(zhí)行加法指令的

25、次數；運算速度：早期方法是每秒執(zhí)行加法指令的次數；現在通常采用等效速度或平均速度。另外還有現在通常采用等效速度或平均速度。另外還有“標準程序標準程序”實測法。單位為實測法。單位為MIPS(Million of MIPS(Million of Instruction Per Second)Instruction Per Second)4. 4. 兼容性：兼容性：375. 5. 系統可靠性：可以用平均無故障工作時間系統可靠性：可以用平均無故障工作時間MTBF(Mean Time Between Failures) MTBF(Mean Time Between Failures) 來衡量來衡量 Ni

26、iNtMTBF1/N N為故障總次數，為故障總次數，titi為第為第i i次無故障間隔時間。次無故障間隔時間。386. 6. 系統可維護性：用平均修復時間系統可維護性：用平均修復時間MTTR(Mean Time MTTR(Mean Time To Restore)To Restore)來衡量來衡量MiiMTMTTR1/TiTi為第為第i i次故障投入運行所占時間，次故障投入運行所占時間，M M為修復總次為修復總次數。數。7. 7. 性能性能/ /價格比：價格比： 除上述指標外，還應考慮計算機漢字處理能除上述指標外，還應考慮計算機漢字處理能力、數據庫管理系統及網絡功能等。力、數據庫管理系統及網絡

27、功能等。391.3 計算機的發(fā)展和應用一、電子計算機的發(fā)展簡史20世紀世紀40年代，無線電技術和無線電工業(yè)的發(fā)年代，無線電技術和無線電工業(yè)的發(fā)展為電子計算機的研制準備了物質基礎，展為電子計算機的研制準備了物質基礎，1943年年1946年美國賓夕法尼亞大學研制的電子數字年美國賓夕法尼亞大學研制的電子數字積分的計算機積分的計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)是世界上第一臺電子是世界上第一臺電子計算機。一般認為它是現代計算機的始祖。計算機。一般認為它是現代計算機的始祖。40ENIAC計算機共用計算機共用18 000多個電子管，多

28、個電子管，1 500個繼電器，重達個繼電器，重達30噸，占地噸，占地170平方米，耗電平方米，耗電140kW，每秒鐘能計算，每秒鐘能計算5 000次加法，領導研制的次加法，領導研制的是埃克特是?？颂?J.P.Eckert)和莫克利和莫克利(J.W.Mauchly)。ENIAC計算機存在兩個主要缺點，一是計算機存在兩個主要缺點，一是存儲容量太小，只能存存儲容量太小，只能存20個字長為個字長為10位的十進制位的十進制數，二是用線路連接的方法來編排程序，因此每數，二是用線路連接的方法來編排程序，因此每次解題都要依靠人工改接連線，準備時間大大超次解題都要依靠人工改接連線，準備時間大大超過實際計算時間。

29、過實際計算時間。41與與ENIAC計算機研制的同時，馮計算機研制的同時，馮諾依曼諾依曼(Von Neumann)與莫爾小組合作研制與莫爾小組合作研制EDVAC計算機，采用了存計算機，采用了存儲程序方案，其后開發(fā)的計算機都采用這種方式，稱為儲程序方案，其后開發(fā)的計算機都采用這種方式，稱為馮馮諾依曼計算機諾依曼計算機。一般認為馮一般認為馮諾依曼機具有如下基本特點：諾依曼機具有如下基本特點：(1) 計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。輸出設備五部分組成。(2) 采用存儲程序的方式，程序和數據放在同一個存采用存儲程序的方式，程序和數據

30、放在同一個存儲器中，指令和數據一樣可以送到運算器運算，儲器中，指令和數據一樣可以送到運算器運算，即由指令組成的程序是可以修改的。即由指令組成的程序是可以修改的。42(3) 數據以二進制碼表示。數據以二進制碼表示。(4) 指令由操作碼和地址碼組成。指令由操作碼和地址碼組成。(5) 指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數器指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數器(即程序計數器即程序計數器PC)指明要執(zhí)行的指令所在的單元指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結果或外界地址，一般按順序遞增，但可按運算結果或外界條件而改變。條件而改變。(6) 機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存

31、儲器間機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器。的數據傳送都通過運算器。43n 50多年來，隨著技術的發(fā)展和新應用領域多年來，隨著技術的發(fā)展和新應用領域的開拓，對馮的開拓，對馮諾依曼機作了很多改革，使計算機諾依曼機作了很多改革，使計算機系統結構有了很大新發(fā)展，如某些機器程序與數系統結構有了很大新發(fā)展，如某些機器程序與數據分開存放在不同的存儲器中，程序不允許修改，據分開存放在不同的存儲器中，程序不允許修改，機器不再以運算器為中心，而是以存儲器為中心機器不再以運算器為中心，而是以存儲器為中心等等等等.n 雖然有以上這些突破，但原則變化不大，習雖然有以上這些突破，但原則變化不

32、大，習慣上仍稱之為慣上仍稱之為馮馮諾依曼機諾依曼機。4450年來，根據電子計算機所采用的物理器件的年來，根據電子計算機所采用的物理器件的發(fā)展，一般把電子計算機的發(fā)展分成四個階段，發(fā)展，一般把電子計算機的發(fā)展分成四個階段，習慣上稱為四代習慣上稱為四代。相鄰兩代計算機之間時間上有。相鄰兩代計算機之間時間上有重疊。重疊。第一代第一代：電子管計算機時代：電子管計算機時代(從從1946年第一臺年第一臺計算機研制成功到計算機研制成功到50年代后期年代后期)，其主要特點是采，其主要特點是采用電子管作為基本器件。主要為軍事與國防尖端用電子管作為基本器件。主要為軍事與國防尖端技術的需要，并進行有關的研究工作，為

33、計算機技術的需要，并進行有關的研究工作，為計算機的發(fā)展奠定了基礎，其研究成果擴展到民用，又的發(fā)展奠定了基礎，其研究成果擴展到民用，又轉為工業(yè)產品，形成了計算機工業(yè)。轉為工業(yè)產品，形成了計算機工業(yè)。 50年代中期，年代中期，美國美國IBM公司在計算機行業(yè)中崛起，公司在計算機行業(yè)中崛起，1954年年12月月推出的推出的IBM650(小型機小型機) 銷售量超過銷售量超過1000臺。臺。1958年年11月問世的月問世的IBM709(大型機大型機)是是IBM公司性能最公司性能最高的最后一臺電子管計算機產品。高的最后一臺電子管計算機產品。45第二代第二代：晶體管計算機時代：晶體管計算機時代(從從50年代中

34、期到年代中期到60年代后期年代后期)，這時期計算機的主要器件改為晶體，這時期計算機的主要器件改為晶體管，縮小體積，降低功耗，提高速度和可靠性，管，縮小體積，降低功耗，提高速度和可靠性，價格下降。后來又采用了磁心存儲器，使速度進價格下降。后來又采用了磁心存儲器，使速度進一步提高。應用范圍擴大，在氣象、工程設計、一步提高。應用范圍擴大，在氣象、工程設計、數據處理等領域應用。開始重視繼承性，這是系數據處理等領域應用。開始重視繼承性，這是系列化思想的萌芽。從而縮短研制周期，降低成本，列化思想的萌芽。從而縮短研制周期，降低成本，實現程序兼容，方便新機器的使用。實現程序兼容，方便新機器的使用。 1960年

35、控制年控制數據公司數據公司(CDC)研制高速大型計算機系統研制高速大型計算機系統CDC6600，于，于1964年完成，取得巨大成功。年完成，取得巨大成功。1969年年1月，超大型機月，超大型機CDC7600研制成功，平均速度達研制成功，平均速度達到每秒千萬次浮點運算。到每秒千萬次浮點運算。46第三代第三代：集成電路計算機時代：集成電路計算機時代(從從20世紀世紀60年年代中期到代中期到20世紀世紀70年代前期年代前期)，采用集成電路作為，采用集成電路作為基本器件，因此功耗、體積、價格等進一步下降，基本器件，因此功耗、體積、價格等進一步下降，而速度及可靠性相應地提高，這就促使了計算機而速度及可靠

36、性相應地提高，這就促使了計算機的應用范圍進一步擴大。正是由于集成電路成本的應用范圍進一步擴大。正是由于集成電路成本的迅速下降，產生了成本低而功能不是太強的小的迅速下降，產生了成本低而功能不是太強的小型計算機供應市場。占領了許多數據處理的應用型計算機供應市場。占領了許多數據處理的應用領域。領域。IBM360系統是最早采用集成電路的通用計算系統是最早采用集成電路的通用計算機，也是影響最大的第三代計算機。在機，也是影響最大的第三代計算機。在1964年宣年宣布布IBM360系統時就有大、中、小型等系統時就有大、中、小型等6個計算機個計算機型號，平均運算速度從每秒幾千次到一百萬次，型號，平均運算速度從每

37、秒幾千次到一百萬次，它的主要特點是通用化、系列化、標準化。它的主要特點是通用化、系列化、標準化。47第四代第四代：大規(guī)模集成電路計算機時代：大規(guī)模集成電路計算機時代， 20世紀世紀70年代初，半導體存儲器問世，迅速取代了磁芯存年代初，半導體存儲器問世，迅速取代了磁芯存儲器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，此后，存儲儲器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，此后，存儲器芯片集成度大體上器芯片集成度大體上每三年翻兩番每三年翻兩番(1971年每片年每片1K位，到位，到1984年達到每片年達到每片256K位，位，1992年年16M位動位動態(tài)隨機存儲器芯片上市態(tài)隨機存儲器芯片上市)，這就是著名的，這就是著名的摩爾定

38、律摩爾定律，從從1971年內含年內含2 300個晶體管的個晶體管的Intel 4004芯片問芯片問世，到世，到1999年包含了年包含了750萬個晶體管的萬個晶體管的Pentium 處理器，都證實了摩爾定律的正確性。后來轉述為處理器，都證實了摩爾定律的正確性。后來轉述為微處理器的工作速度，在一定成本下，大體上也是微處理器的工作速度，在一定成本下，大體上也是每每18個月翻一番。個月翻一番。 專家預計，芯片性能呈指數增長將在今后幾年專家預計，芯片性能呈指數增長將在今后幾年放緩，一般看法是，摩爾定律能再適用放緩，一般看法是，摩爾定律能再適用10年左右。年左右。48隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，計算隨著

39、大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，計算機進入大發(fā)展時期，各種類型的計算機都得機進入大發(fā)展時期，各種類型的計算機都得到了迅速發(fā)展，下面對各類計算機的情況作到了迅速發(fā)展，下面對各類計算機的情況作一簡單介紹。一簡單介紹。 491. 大型機大型機大型機是反映各個時期先進計算技術的大型通用計算機，其中以IBM公司的大型機系列影響最大。從20世紀60年代80年代，信息處理主要是以主機系統加終端為代表(即大型機)的集中式數據處理集中式數據處理， 20世紀60年代的IBM360系統， 20世紀70年代和80年代的IBM370系統曾占領大型機的霸主地位。IBM公司為開發(fā)360系統的軟件耗費了巨大的人力和財力。如此豐富的

40、軟件不能拋棄，只能繼承，這已成為用戶與計算機廠家的共識，但也成了計算機發(fā)展的制約。因此IBM370系統是在保持與360系統兼容的前提下進行了改進與提高。50進入20世紀80年代以后，隨著微機性能的極大提高和網絡技術的普及，客戶機客戶機/服務器服務器(client/server)技術得以飛速發(fā)展并普及，曾一度使大型機的作用受到懷疑。進入20世紀90年代后，隨著企業(yè)規(guī)模的擴大與信息技術的發(fā)展，很多采用客戶機/服務器的分散式運算模式的用戶發(fā)現，這種系統的管理極為復雜，運算營運成本高，安全可靠性難以保證。于是大型大型機獲得東山再起的機會，企業(yè)需要一個開放的、機獲得東山再起的機會，企業(yè)需要一個開放的、安

41、全的大型服務器作為計算平臺安全的大型服務器作為計算平臺，因為只有大型機才具有高可靠性、安全性、高吞吐能力、高可擴展性、防病毒以及防黑客的能力。51與此同時，大型機的性能在不斷提高，成本不斷下降， 20世紀90年代IBM推出的大型機系列為IBMS/390系列，并不斷推出新產品，ES/9000即是S/390系列中的知名產品之一，1997年的主流產品是9672系列。到1997年6月推出的S/390第4代產品采用CMOS工藝(過去的大型機為尋求高速度而采用雙極型晶體管工藝)，從而減少了功耗，并提高了芯片的集成度；1998年5月S/390第5代產品問世，主機速度達到每秒10億次。近年來S/390的銷售量

42、已連續(xù)三年以兩位數字增長，取得顯著成績。52IBMS/390不僅仍保持與IBM360，370兼容，還包含了許多新特點，如良好的開放性、并行計算環(huán)境等。被廣泛用作企業(yè)服務器。其他計算機廠家在發(fā)展新機種時也遵循兼容的原則。某些計算機廠家走上與IBM計算機兼容的道路，稱之為PCM：Plug Compatible Mainframe(插接兼容主機硬件完全兼容)或Program Compatible Mainframe(程序兼容主機軟件兼容)，制造與IBM兼容的計算機，它們按IBM系列機的系統結構制造主機，并直接引用IBM計算機的軟件，因而使產品的性能價格比優(yōu)于IBM原裝機，以爭奪市場。532. 2.

43、巨型機巨型機現代科學技術，尤其是國防技術的發(fā)展，需要有很高運算速度、很大存儲容量的計算機。集成電路的進展，為制造巨型機提供了條件。從20世紀60年代到20世紀70年代相繼完成了一些巨型機，其中取得最高成績的要推Cray-1計算機。針對天氣預報、飛行器的設計和核物理研究中存在大量向量運算的特點，Cray-1計算機的向量運算速度達每秒8 000萬次，并兼顧了一般的標量運算。1983年研制成功的Cray X-MP機向量運算速度達每秒4億次。與此同時，CDC公司的CYBER203和205先后完成，CYBER205每秒可進行4億次浮點運算。這些是20世紀80年代初期的水平最高的巨型機。 54但是這些成就

44、還不能滿足一些復雜問題的需要，所以不少單位開展了性能更高的巨型機的研究工作。后來微處理機的發(fā)展為陣列結構的巨型機發(fā)展帶來了希望。例如，古德伊爾公司為美國宇航局(NASA)研制了一臺處理衛(wèi)星圖像的計算機系統MPP，該機由16 384個微處理器組成128128方陣。這種采用并行處理技術的多處理器系統并行處理技術的多處理器系統是巨型機發(fā)展的一個重要方面，稱為小巨型機小巨型機。日本、英國、蘇聯、法國也先后開始研制巨型機。553. 小型機小型機小型機規(guī)模小、結構簡單，設計試制周期短，便于采用先進工藝，生產量大，硬件成本低；同時由于軟件比大型機簡單，軟件成本低。容易操作、容易維護和可靠性高等特點，因而得以

45、迅速推廣。DEC公司的PDP11系列是16位小型機的代表，到70年代中期32位高檔小型機開始興起，DEC公司的VAX11/780于1978年開始生產，應用極為廣泛。VAX11系列與PDP11系列是兼容的。80年代以后，精簡指令系統計算機(RISC)問世，導致小型機性能大幅度提高。56小型機的出現打開了在控制領域應用計算機的局面，許多大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療儀器使用小型機進行數據采集、整理、分析、計算等。應用于工業(yè)生產上的計算機除了進行上述工作外還可進行自動控制。小型機還廣泛應用于工程設計、科學計算、信號處理、圖像處理、企業(yè)管理以及在客戶/服務器結構中用作服務器等。 574. 微型機微型機微

46、型機的出現與發(fā)展，掀起計算機大普及的浪潮，利用4位微處理器Intel4004組成的MCS-4是世界上第一臺微型機，它于1971年問世。Intel8086是最早開發(fā)成功的16位微處理器(1978年)。1981年32位微處理器Intel80386問世，與原來的產品相比較，除了提高主頻速度外，還將原屬片外的有關電路集成到片內。32位微處理機采用過去大中型計算機中所采用的技術，因此用它構成的微型機系統的性能可以達到70年代大中型計算機的水平。5870年代后期，興起個人計算機熱潮，最早出現的是Apple公司的Apple型微機(1977年) 。1981年IBM公司推出了IBM PC機，該機采用Intel

47、8086(當時為8086)微處理器和Microsoft公司的MS-DOS操作系統，IBM公司還公布了IBM PC的總線結構，為微型計算機的大規(guī)模生產打下了基礎。后來又推出擴充了性能的IBM PC/XT，IMB PC/AT以及386，486和Pentium等多種機型。微型機向小型化發(fā)展出現了便攜機(膝上型、筆記本型和掌上型)，在90年代獲得迅速發(fā)展。與此同時，個人計算機走向家庭，并向多媒體方向發(fā)展，這就是家用電腦和多媒體電腦。595. 工程工作站工程工作站工程工作站是20世紀80年代興起的面向廣大工程技術人員的計算機系統，一般具有高分辨率顯示器、交互式的用戶界面和功能齊全的圖形軟件。開始集中應用

48、于各種工程方面的計算機輔助設計，如集成電路設計、機械設計、土木建筑設計等。1980年成立的Apollo公司和1982年成立的Sun微系統公司主要從事工作站的研制與生產工作。開始都采用Motorola的微處理器芯片，后來改用RISC(精簡指令系統計算機)微處理器。601987年以后，工作站普遍采用32位/64位RISC微處理器，不僅處理速度快，而且具有強大的圖形處理功能和友好的窗口界面，后來又向多處理器系統和分布式處理系統發(fā)展。典型的產品有Sun公司的SPARC系列、DEC公司的Alpha系列以及SGI公司和HP公司的工作站系列。由于工程工作站出現得比較晚，一般都帶有網絡接口，并采用開放式系統結

49、構，即將機器的軟、硬件接口公開，以鼓勵其他廠商、用戶圍繞工作站開發(fā)軟、硬件產品。同時盡量遵守國際工業(yè)界流行的標準。616. 聯機系統和計算機網絡聯機系統和計算機網絡由于計算機技術和通信技術的迅速發(fā)展，為適應高度社會化生產和科技發(fā)展的需要，出現了由單個計算中心通過通信線路和若干個遠程終端連接起來的聯機系統(或稱為面向終端的網絡)。例如，庫存管理系統、生產管理系統、銀行業(yè)務系統、飛機訂票系統、情報檢索系統、氣象觀測系統等，使分散在各處的信息通過終端能很快集中于計算機中，同時各處的工作人員可通過終端進行查詢、獲取資料。62在70年代，能實現計算機之間的通信、并共享資源的計算機網迅速發(fā)展。美國ARPA

50、網誕生于60年代末，到1975年已連接60個以上的結點，一百多臺主計算機。地理范圍遍布全美并擴展到歐洲。與此同時其他網相繼建成。由于這些網絡跨越的地理范圍比較寬闊，因而稱為廣域計算機網廣域計算機網。1983年在APRA網上開發(fā)了安裝在UNIX操作系統上的TCP/IP協議。ARPA網也由過去的單一網絡發(fā)展成可連接多種不同網絡的世界上最大的互聯網因因特網特網(Internet)。同時一些主要計算機廠家為解決本公司生產的各種計算機之間和計算機與終端設備的聯網問題，向用戶提供相應的硬件(如通信接口板)和網絡軟件。63隨著計算機的廣泛應用，特別是小型機和微型機的普及，一個單位在一幢大樓或一個建筑群內安裝

51、多臺計算機的情況日益普遍，將這些計算機聯接在一起的網絡稱為局部網局部網。計算機網的蓬勃發(fā)展，加速了社會信息化的進計算機網的蓬勃發(fā)展，加速了社會信息化的進程。程。64上面講到，根據所用器件的不同，電子計算機經歷了四代的變革，但其基本思想一直遵循馮諾依曼計算機結構的原理。計算機的發(fā)展促進了人工智能的發(fā)展，突破了馮諾依曼結構原理。人工智能是研究解釋和模擬人類智能行為及其是研究解釋和模擬人類智能行為及其規(guī)律的一門學科。其主要任務是建立智能信息處規(guī)律的一門學科。其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現某些近似于人類智能理理論，進而設計可以展現某些近似于人類智能行為的計算系統。行為的計算系統。6

52、5在人工智能的萌芽時期，有兩種研究途徑：一兩種研究途徑：一是根據神經心理學的研究是根據神經心理學的研究，通過為神經活動建立數學模型來表現智能行為，這是微觀研究觀點。二是二是從智能行為的角度來研究智能從智能行為的角度來研究智能，而不介意這種行為的產生原因，這是行為研究觀點。后來的研究表明行為主義的智能觀(或稱符號機制)較易在計算機上實現。在此基礎上進行了基于知識的應用系統研究，提出了專家系統和知識工程專家系統和知識工程，并總結出建造專家系統及開發(fā)環(huán)境的一系列原則。20世紀80年代出現的人工神經網絡研究熱潮，與行為主義的智能觀的結合并互為補充，推動了人工智能研究的進展。66隨同計算機硬件發(fā)展的還有

53、軟件隨同計算機硬件發(fā)展的還有軟件，應該，應該指出，發(fā)揮計算機的作用，推廣計算機的應指出，發(fā)揮計算機的作用，推廣計算機的應用，改進計算機的設計以及簡化計算機的操用，改進計算機的設計以及簡化計算機的操作，使它從只供專家使用轉為面向大眾，軟作，使它從只供專家使用轉為面向大眾，軟件工作者起了決定性的作用。件工作者起了決定性的作用。高級程序設計語言在第二代計算機時期趨向成熟并迅速普及，操作系統自動地管理計算機系統中各個設備以及多個程序的高效運行，是第三代計算機時期的重大成就，以上這些軟件屬于系統軟件。67廣泛應用計算機的結果，在科學計算、數據處理、商業(yè)經營、經濟管理、工業(yè)控制、工程設計等領域中開發(fā)出各自

54、的程序，稱為應用軟件應用軟件。計算機廠家向用戶提供軟件(系統軟件和應用軟件)時與硬件分別計價，并產生了專門從事軟件研制、生產、銷售工作的軟件公司(例如美國的Microsoft公司)。但是軟件的發(fā)展跟不上需要，軟件費用急劇增長，這是因為硬件是工業(yè)化生產，價格不斷下降，而硬件是工業(yè)化生產，價格不斷下降，而軟件為人工勞動，生產率低軟件為人工勞動，生產率低。一些科學家提出了一些科學家提出了軟件工程的概念，對軟件開發(fā)實行工程化管理，軟件工程的概念，對軟件開發(fā)實行工程化管理，以期得到廉價、可靠、有效的軟件。以期得到廉價、可靠、有效的軟件。68軟件還具有容易復制的特點軟件還具有容易復制的特點，軟件成果容易被

55、別人占有，因此影響了軟件開發(fā)者進行軟件開發(fā)及將軟件投入市場的積極性。為了保護軟件不被剽竊，可以采取加密碼等技術措施以及低價銷售、隨硬件提供等經營措施，發(fā)揮一定的保護作用，但不能徹底解決問題，因此由國家來制訂、實施對軟件的保護法律是至關重要的。但是一個國家的法律只適用于國內，而軟件很容易在國家之間傳播，因此國與國之間相互承擔保護對方公民(和法人)軟件的義務已成為各國之間經濟合作關系的一個重要組成部分。69二、計算機的應用：1. 科學計算科學計算一直是電子計算機的重要應用領域之科學計算一直是電子計算機的重要應用領域之一。例如，在天文學、量子化學、空氣動力學、一。例如，在天文學、量子化學、空氣動力學

56、、核物理學等領域中，都需要依靠計算機進行復雜核物理學等領域中，都需要依靠計算機進行復雜的運算。在軍事上，導彈的發(fā)射及飛行軌道的計的運算。在軍事上，導彈的發(fā)射及飛行軌道的計算控制、先進防空系統等現代化軍事設施通常都算控制、先進防空系統等現代化軍事設施通常都是由計算機控制的大系統，其中包括雷達、地面是由計算機控制的大系統，其中包括雷達、地面設施、海上裝備等?，F代的航空、航天技術發(fā)展，設施、海上裝備等?，F代的航空、航天技術發(fā)展，例如超音速飛行器的設計，人造衛(wèi)星與運載火箭例如超音速飛行器的設計，人造衛(wèi)星與運載火箭軌道計算更是離不開計算機。軌道計算更是離不開計算機。70除了國防及尖端科學技術以外，計算機

57、在其他學科和工程設計方面，諸如數學、力學、晶體結構分析、石油勘探、橋梁設計、建筑、土木工程設計等領域內也得到廣泛的應用，促進了各門科學技術的發(fā)展。有些系統，要求計算機處理所得的結果立即反過來作用或影響正在被處理的事物本身。例如，在控制導彈飛行的系統中，不斷測量導彈飛行的參數(包括飛行環(huán)境)，并及時作出反應，修正導彈飛行的軌跡，這樣的系統稱為實時處理系統?？茖W計算的特點是計算量大和數值變化范圍大。 712. 數據處理數據處理當前大部分計算機都用于數據處理。例如，在當前大部分計算機都用于數據處理。例如，在銀行系統中，用計算機處理儲戶的存款、取款、銀行系統中，用計算機處理儲戶的存款、取款、發(fā)放工資，

58、或為信用卡系統、銷售點系統提供服發(fā)放工資，或為信用卡系統、銷售點系統提供服務等。務等。數據處理系統具有輸入輸出數據量大而計算卻數據處理系統具有輸入輸出數據量大而計算卻很簡單的特點。為了實現各儲蓄所之間的通存通很簡單的特點。為了實現各儲蓄所之間的通存通兌以及在商店、酒樓中使用信用卡，計算機需聯兌以及在商店、酒樓中使用信用卡，計算機需聯網使用。網使用。72在企業(yè)數據處理領域中，計算機廣泛應用于財在企業(yè)數據處理領域中，計算機廣泛應用于財會統計與經營管理中，如編制生產計劃、統計報會統計與經營管理中，如編制生產計劃、統計報表、成本核算、銷售分析、市場預測、利潤預估、表、成本核算、銷售分析、市場預測、利潤

59、預估、采購訂貨、庫存管理、工資管理等。為了適應計采購訂貨、庫存管理、工資管理等。為了適應計算機管理，在報表格式的修改，名詞統一編碼等算機管理，在報表格式的修改，名詞統一編碼等多方面要進行大量工作。多方面要進行大量工作。73以提供信息服務為主要目的的數據密集型計算以提供信息服務為主要目的的數據密集型計算機應用系統稱之為信息系統。該系統除具有數據機應用系統稱之為信息系統。該系統除具有數據采集、傳輸、存儲和管理等基本功能外，還可向采集、傳輸、存儲和管理等基本功能外，還可向用戶提供信息檢索、統計報表、事務處理、規(guī)劃、用戶提供信息檢索、統計報表、事務處理、規(guī)劃、設計、指揮、控制、決策、報警和提示等信息服

60、設計、指揮、控制、決策、報警和提示等信息服務。其特點是數據量大，并需要長期保存在系統務。其特點是數據量大，并需要長期保存在系統中，一般采用數據庫管理系統中，一般采用數據庫管理系統(DBMS)。屬于這個。屬于這個范疇的應用系統有：管理信息系統、地理信息系范疇的應用系統有：管理信息系統、地理信息系統、指揮信息系統、決策支持系統、辦公信息系統、指揮信息系統、決策支持系統、辦公信息系統、情報檢索系統、醫(yī)學信息系統、銀行信息系統、情報檢索系統、醫(yī)學信息系統、銀行信息系統和民航訂票系統等。一般包括各種應用程序，統和民航訂票系統等。一般包括各種應用程序，例如分析、統計、報表、規(guī)劃、決策等程序。信例如分析、統