計算機基礎(chǔ)知識質(zhì)量工程課件

1、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)紹興文理學(xué)院上虞分院計算機應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)組2012.09第1章 計算機基礎(chǔ)知識本章要點：計算機的基礎(chǔ)知識計算機的基本組成和基本原理微型計算機系統(tǒng) 現(xiàn)代計算機是一種能幫助人們收集、存儲、加工、傳遞各種信息的數(shù)字化電子設(shè)備。計算機技術(shù)及其應(yīng)用已滲透到科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟、社會生活等各個領(lǐng)域，改變了人們傳統(tǒng)的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使得各行各業(yè)的人們都已經(jīng)離不開計算機這個強大的信息處理工具。本章主要介紹計算機的基礎(chǔ)知識和計算機系統(tǒng)。1.1計算機基礎(chǔ)知識 計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地改變了人們的生活和工作。在信息化社會中，掌握計算機的基礎(chǔ)知識及操作技能是工作、學(xué)習(xí)、生活所必須

2、具有的基本素質(zhì)。 本節(jié)將講述計算機的誕生，計算機發(fā)展及趨勢，計算機特點、分類和計算機在信息社會中的應(yīng)用。 1.1.1計算機的誕生與發(fā)展一、計算機誕生的“史前”時代 計算機是一種機器，是人類發(fā)明的一種工具。真正意義上的計算機歷史至少可以追溯到公元前至1200年前，在Sumer一些有文化的居民用陶土碑和代表我國古代人民智慧的結(jié)晶算盤記錄他們的商業(yè)事務(wù)。 1642年法國物理學(xué)家帕斯卡發(fā)明了機械的齒輪式加減法器，1673年德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲發(fā)明了乘除器，誕生了能進行四則運算的機械式計算器，商品的機械計算機在1820真正出現(xiàn)了。在十九世紀三四十年代英國發(fā)明家查里斯巴貝齊設(shè)計了差分機和分析機。他設(shè)計的分析

3、機雖有了今天計算機的基本框架，但由于技術(shù)限制，用機械方式實現(xiàn)如此復(fù)雜的過程幾乎是不可能的，巴貝齊的計算機器都沒有完成。 在計算機的奠基方面，其中最重要的代表人物是英國數(shù)學(xué)家阿蘭圖靈（AlanM.Turing）和美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼（John Von Neumann，如圖1.1所示）。圖靈在二十世紀四十年代提出了一種自動計算機器的模型，這種模型后來被人們稱為“圖靈機”。他指出了一個原理：圖靈機是一種非常強有力的計算“工具”，一切可能的機械式計算過程都可以由圖靈機實現(xiàn)。圖靈又進一步指出：存在著一個“通用”圖靈機，它可以實現(xiàn)所有圖靈機的功能。這個結(jié)論告訴人們，完全沒有必要再去一個個地制造加法機器

4、、乘法機器、最大公約數(shù)機器等等，只要能制造出一種具有與“通用圖靈機”功能等價的機器，所有計算問題的運行基礎(chǔ)就能一下子迎刃而解了。圖靈的工作對于計算機領(lǐng)域的發(fā)展是如此重要，以致在計算機領(lǐng)域中最重要的獎項用他的名字命名，這就是著名 的“圖靈獎”圖靈對計算機的貢獻主要有兩個： 建立了圖靈機的理論模型，發(fā)展了可計算性理論， 對數(shù)字計算機的一般結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)性和局限性都產(chǎn)生了意義深遠的影響。 提出了定義機器智能的圖靈測試，奠定了人工智能的基礎(chǔ)。 美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼在1944年參加由莫奇利和?？颂仡I(lǐng)導(dǎo)的ENIAC計算機的研究，他提出了存儲程序式通用電子計算機方案，他認為計算機應(yīng)具備計算器，邏輯控制裝置

5、，存儲器，輸入設(shè)備，輸出設(shè)備五個部分，成功設(shè)計了世界上第一臺具有存儲程序功能的計算機EDVAC，并將這五個部分的功能應(yīng)用于EDVAC。 圖1.1 圖靈 馮諾依曼理論的要點主要有二個： 數(shù)字計算機的數(shù)制采用二進制。 計算機應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。 馮諾依曼理論確立了計算機的基本結(jié)構(gòu)，直到今天，通用計算機仍采用馮諾依曼理論的存儲程序和程序控制的設(shè)計思想，被稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機。 圖1.2 馮諾依曼 二、第一臺電子數(shù)字計算機的誕生 第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍方為了解決計算大量軍用數(shù)據(jù)的難題，成立了由賓夕法尼亞大學(xué)莫奇利和?？颂仡I(lǐng)導(dǎo)的研究小組，開始研制世界上第一臺電子計算機。經(jīng)過三年緊張的工作，圖1.

6、3 第一臺電子計算機 1946年2月1日，世界上第一臺通用電子數(shù)字計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）宣告研制成功。如圖1.3所示。ENIAC的研制成功，是人類信息技術(shù)發(fā)展史上的一座里程碑，是在發(fā)展計算技術(shù)的歷程中達到的一個新的高度，同時也是一個新的起點。 圖1.3 第一臺電子計算機 ENIAC計算機的最初設(shè)計方案，是由36歲的美國工程師莫奇利于1943年提出的。總工程師由年僅24歲的?？颂負巍NIAC共使用了18000個電子管，1500個繼電器以及其他器件，安裝在面積為915米2的室內(nèi)。ENIAC的存儲量很小，只

7、能存放20個10位的十進制數(shù)，運算速度為5000次/秒加法運算。雖然ENIAC的能力根本無法與現(xiàn)在的計算機相比，但它開啟了人類用計算機處理信息的嶄新一頁。 ENIAC的存儲容量很小，程序是用線路連接的方式實現(xiàn)的，不便于使用；為了進行幾分鐘或幾小時的數(shù)字計算，要花費幾小時甚至天的時間做準備。ENIAC用了多個開關(guān)和配線盤。每當進行不同的計算時，科學(xué)家們就要切換開關(guān)和改變配線，這使當時從事計算的科學(xué)家看上去更像在干體力活。由于耗電大，電子管的壽命又短，工作時常常會因燒壞電子管而被迫停機檢修。美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼提出了解決此問題之道，這就是“程序存儲方式”。通俗地講就是把原來通過切換開關(guān)和改變配

8、線來控制的運算步驟，以程序方式預(yù)先存放在計算機中，然后讓其自動計算。在以后的時期中，計算機的發(fā)展正是沿著“程序存儲方式”這一道路前進的。三、計算機的發(fā)展 計算機從最初用電子管作為元器件，發(fā)展到今天用超大規(guī)模集成電路作為元器件，已走過了60多年的歷程。習(xí)慣上，人們根據(jù)計算機所用的邏輯元器件的種類不同對計算機進行了分類，大致上分成4個發(fā)展階段。 1、采用電子管的第一代計算機(19461957年) 第一代計算機的邏輯元件采用電子管（如圖1.4所示），通常稱為電子管計算機。主要用于數(shù)值計算。主要特點是： (1)采用電子管作為基本邏輯部件，體積大，耗電量大，壽命短，可靠性大，成本高。 (2)容量很小，后

9、來外存儲器使用了磁鼓存儲信息，擴充了容量。 (3)輸入輸出裝置落后，主要使用穿孔卡片，速度慢，使用十分不便。 (4)沒有系統(tǒng)軟件，只能用機器語言和匯編語言編程圖1.4 電子管 圖1.5 晶體管 圖1.6 集成電路 2、采用晶體管的第二代計算機計算機(19581964年) 第二代計算機的邏輯元件采用晶體管（如圖1.5所示），即晶體管計算機。應(yīng)用范圍由數(shù)值計算擴大到數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制。主要特點是： (1)采用晶體管制作基本邏輯部件，體積減小，重量減輕，能耗降低，成本下降，計算機的可靠性和運算速度均得到提高。 (2)普遍采用磁芯作為貯存器，采用磁盤/磁鼓作為外存儲器。 (3)開始有了系統(tǒng)軟件(監(jiān)控程

10、序)，提出了操作系統(tǒng)概念，出現(xiàn)了高級語言。3、采用集成電路的第三代計算機（19651970年） 第三代計算機采用集成電路（如圖1.6所示）制作邏輯開關(guān)部件。主要特點是： (1)采用中，小規(guī)模集成電路制作各種邏輯部件，體積小，重量更輕，耗電更省，壽命更長，成本更低，運算速度有了更大的提高。 (2)采用半導(dǎo)體存儲器作為主存，取代了原來的磁芯存儲器，使存儲器容量和存取速度有了大幅度的提高，增加了系統(tǒng)的處理能力。 (3)系統(tǒng)軟件有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)，多用戶可以共享計算機軟硬件資源。 (4)在程序設(shè)計方面上采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，為研制更加復(fù)雜的軟件提供了技術(shù)上的保證。4、使用超大規(guī)模集成電路

11、的第四代計算機（1971年至今） 第四代計算機的邏輯元件采用大規(guī)模集成電路(LSI)。計算機的發(fā)展進入了以計算機網(wǎng)絡(luò)為特征的時代。目前使用的計算機都屬于第四代計算機。主要特點是：(1)基本邏輯部件采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，使計算機體積，重量，成本均大幅度降低，出現(xiàn)了微型機。(2)作為主存的半導(dǎo)體存儲器，其集成度越來越高，容量越來越大；外存儲器除廣泛使用軟，硬磁盤外，還引進了光盤、大容量的移動存儲器。(3)各種使用方便的輸入輸出設(shè)備相繼出現(xiàn)。(4)軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達，各種實用軟件層出不窮，極大地方便了用戶。(5)計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，計算機網(wǎng)絡(luò)把世界緊密地聯(lián)系在一起。(6)多媒體技術(shù)崛起

12、，計算機集圖像，圖形，聲音，文字，處理于一體，在信息處理領(lǐng)域掀起了一場革命，與之對應(yīng)的信息高速公路正在緊鑼密鼓地籌劃實施當中。 從20世紀80年代開始，發(fā)達國家開始研制第五代計算機，研究的目標是能夠打破以往計算機固有的體系結(jié)構(gòu)，使計算機能夠具有像人一樣的思維、推理和判斷能力，向智能化發(fā)展，實現(xiàn)接近人的思考方式圖1.7 Intel 迅馳 CPU實物圖起止年代主要元件主要元件圖例速度（次/秒）特點與應(yīng)用領(lǐng)域第一代19461957年電子管5千1萬次計算機發(fā)燕尾服的初級階段，體積巨大，運算速度較低，耗電量大，存儲容量小，主要用來進行科學(xué)計算。第二代19581964年晶體管幾萬幾十萬次體積減小，耗電較少

13、，運算速度較高，價格下降，不僅用于科學(xué)計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)管理，并逐漸用于工業(yè)控制。第三代19651970年中、小規(guī)模集成電路幾十萬幾百萬次體積、功耗進一步減小，可靠性及速度進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓展到文字處理、企業(yè)管理、自動控制、城市交通管理等方面。第四代1971年至今大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路幾千萬千萬億次性能大幅度提高，價格大幅度下降，廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，進入辦公室和家庭，在辦公自動化、電子編輯排版、數(shù)據(jù)庫管理、圖像識別、語音識別、專家系統(tǒng)等領(lǐng)域中大顯身手。四、新一代計算機的構(gòu)想 新一代計算機，即第五代電子計算機也被稱為“智能計算機”。從20世紀80年代開始，日本、美國

14、、歐洲等發(fā)達國家都宣布開始新一代計算機的研究。普遍認為新一代計算機應(yīng)該是智能型的，它能模擬人的智能行為，理解人類自然語言，并繼續(xù)向著微型化，網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。第五代計算機的目標是成為有人工智能的計算機，它具備了常識、推論、閃出智能火花、判斷功能。智能計算機突破了傳統(tǒng)的馮諾依曼式機器的概念，舍棄了二進制結(jié)構(gòu)，把許多處理機并聯(lián)起來，并行處理信息，速度大大提高。它的智能化人機接口使人們不必編寫程序，只需發(fā)出命令或提出要求，電腦就會完成推理和判斷，并且給出解釋。 日本公布的第五代計算機稱為知識信息處理系統(tǒng)（KIPS）。它不像前四代計算機那樣按事先的程序來解決問題，而是根據(jù)用戶提出的問題自動選擇內(nèi)置在知識庫中

15、的規(guī)則，通過推理來解答問題。因此，這種智能計算機必須包括支持邏輯推理的推理機，支持知識庫及其查詢的知識庫機，以及多媒體人機界面等。雖然KIPS至今沒有實現(xiàn)，但隨著各國對智能計算機研制的深入，采用非馮諾依曼結(jié)構(gòu)的各種并行結(jié)構(gòu)計算機（如向量計算機、陣列計算機、數(shù)據(jù)流計算機等）不斷涌現(xiàn)，為研制并行推理機、知識庫查詢機，以及與它們配套的核心創(chuàng)造了條件。目前的主流計算機仍以馮諾依曼結(jié)構(gòu)為主體。 科學(xué)家預(yù)言，未來將出現(xiàn)光計算機、生物計算機、超導(dǎo)計算機和模糊計算機等。1、光計算機 是一種由光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計算機。 光計算機的基本組成部件是集成光路。運用集成光路技術(shù)，可以把光

16、開關(guān)或光存儲等器件集成在一塊芯片上，制成單一功能的集成光路；也可以將光源、光波導(dǎo)（用以構(gòu)成集成光路中的連接元件）、光開關(guān)、光存儲等器件集成在一塊芯片上，以組成一個完整的光系統(tǒng)。要得到一臺光計算機，可以選用集成光路進行組裝，而光導(dǎo)纖維則能用作光計算機之間的直接通信線。光計算機的優(yōu)點在于運算速度快。與當前運算速度最高的巨型計算機相比要快數(shù)百倍。存儲容量大。它的存儲容量可達100億億二進制信息位，將是現(xiàn)有電子計算機的幾萬億倍。可以同時處理幾路信息。不受磁場影響。光計算機是利用光傳輸信息，不會受磁場影響。 世界上許多國家正在努力發(fā)展光計算機。據(jù)1983年英國皇家學(xué)會宣布，英、法、前聯(lián)邦德國、意大利等西

17、歐國家的科學(xué)家集中在英國共同研制世界上第一臺光計算機。1984年6月美國宣布已經(jīng)制造了第一臺光計算機的設(shè)備，不過它只能在接近絕對零度條件下工作。日本對光計算機研究甚為重視，從1979年開始推行“光電子技術(shù)開發(fā)計劃”。目前光計算機的研究工作仍處于實驗室階段。今后，光計算機將開始取代電子計算機。2、生物計算機 利用有機分子作為基本部件制成的計算機。因為有機分子存在于生物體內(nèi)，所以這種計算機又稱“生物計算機”。目前，生物計算機研制工作正沿著兩種截然不同的方向進行。第一種是用有機分子取代當代的半導(dǎo)體，研制一種能完成數(shù)字計算機邏輯元件和存儲元件功能的分子電子器。因此，生物計算機通常也稱分子計算機。另一種

18、是模擬活生物體。因為機體的免疫系統(tǒng)內(nèi)，當大量病菌侵入血液，白血球能識別進入血液的病原菌表面分子結(jié)構(gòu)后，在白細胞內(nèi)外引起一連串防御性的化學(xué)反應(yīng)?？茖W(xué)家希望類似的反應(yīng)能在由彼此相互作用的蛋白質(zhì)和其他復(fù)雜分子構(gòu)成的生物計算機中出現(xiàn)。事實上，生物計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計算機的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當，程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中表示出來。由于有機分子構(gòu)成的生物化學(xué)元件的特殊性，生物計算機就具有顯著的優(yōu)點：體積小、功效高。以分子水平的線路為目標的生物化學(xué)元件線度可達幾百埃（10-8cm），一平方毫米的面積上可容數(shù)億個電路，比目前的電子計算機提高了幾百倍。可靠

19、性高。因為生物本身具有自我修復(fù)的機能，所以即使計算機芯片出了故障也能自我修復(fù)。耗能少。有機分子構(gòu)成的生物化學(xué)元件是利用化學(xué)反應(yīng)工作的，需要能量少，不存在發(fā)熱問題。 目前，生物計算機正在崛起，上世紀80年代初，美國首先燃起了生物計算機的興趣之火，1983年11月召開了近40名不同學(xué)科的科學(xué)家對制造生物計算機的可能性問題進行討論。1987年英國撥款3000萬英鎊用于研制生物計算機。目前，生物計算機的研制還在繼續(xù)。3、超導(dǎo)計算機 用超導(dǎo)器件作為元件的計算機。1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)水銀冷卻到4.2K時，電流可無阻地流過，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電現(xiàn)象。具有超導(dǎo)電性質(zhì)的物質(zhì)，叫超導(dǎo)體。1962年正在英

20、國劍橋大學(xué)攻讀物理博士學(xué)位的約瑟夫森制成了超導(dǎo)開關(guān)器件和超導(dǎo)存儲器這兩種計算機中最基本的器件。這兩種器件又稱約瑟夫森器件。這種器件具有如下特點：開關(guān)速度快。目前已達幾微微秒，比高速硅集成電路快幾百倍。功耗非常小。僅為硅集成電路的幾百分之一。有人預(yù)測，過去需要10千瓦功率的大中型計算機，如用約瑟夫森器件制成的超導(dǎo)計算機，則只需1節(jié)干電池。功耗小，散發(fā)熱量少，集成度高。器件結(jié)構(gòu)基本上和現(xiàn)行大規(guī)模集成電路相同。因此，超導(dǎo)計算機的性能是目前計算機所無法比擬的。事實上，近十幾年來，人們一直為實現(xiàn)超導(dǎo)計算機而努力奮斗，制造了具有獨特優(yōu)點的各種器件。例如，美國于1976年曾觀察到單一約瑟夫森器件的開關(guān)速度為

21、29微微秒；1978年在第25屆國際固體電路會議上報告稱：一種實驗性超導(dǎo)開關(guān)邏輯電路，開關(guān)速度為42微微秒；1983年11月日本卻獲得開關(guān)速度為5.6微微秒。盡管目前進展很快，但與研制成超導(dǎo)計算機還有相當距離。其主要原因是：各類約瑟夫森器件相連結(jié)是個難題；超導(dǎo)計算機要有超低溫環(huán)境，這就需要附加一整套超低溫設(shè)備；超導(dǎo)計算機如何與輸入、輸出等外部設(shè)備相接等問題都有待解決。所以，有人把超導(dǎo)計算機稱為“夢幻式計算機”，可見制造超導(dǎo)計算機相當困難。4、模糊計算機 是一種專門用以處理模糊信息的計算機。眾所周知，迄今為止的電子計算機采用的數(shù)學(xué)語言都是由“0”和“1”兩個數(shù)碼構(gòu)成的。具有兩大優(yōu)點：一是信息十分

22、精確，判別一個簡單的概念，往往需要進行一大堆數(shù)學(xué)運算，得出很高的精度。二是硬件容易實現(xiàn)（只需兩種狀態(tài)即可）。但有一個明顯的缺點是對自然現(xiàn)象和人類社會中大量的模糊信息就不能只用當前計算機中的“1”（是）和“0”（非）這樣“一板一眼”兩值邏輯來處理，有的甚至使計算機無能為力。因事物具有相對性，它們中間沒有截然可分的界限，這些沒有確切界限的事物及其表達形式被稱為模糊概念。它是一種不規(guī)則的邏輯，由此構(gòu)成的信息是含義模糊的信息，即模糊信息。例如要表達一個人老態(tài)龍鐘，便可用白發(fā)蒼蒼、步履蹣跚、面容憔悴等一些形容詞來說明，這便是典型的模糊信息。人腦能非常敏捷地處理模糊信息，因此，科學(xué)家們設(shè)想制造模糊計算機，

23、這種計算機除了具有一般計算機的功能外，還像人腦一樣具有學(xué)習(xí)、思考、判別和對話功能。 日本于1984年首先提出研制模糊計算機，并以不規(guī)則、非邏輯為基本函數(shù)的理論為基礎(chǔ)，設(shè)計、試制成功模糊集成電路，使計算機的體積大幅度下降。但要真正能夠研制成盡可能具有人腦功能的模糊計算機，就必需要集中大量電子學(xué)、心理學(xué)、大腦生理學(xué)、語言學(xué)等專家一起來開發(fā)和研制。如果一旦研制成功具有人工智能水平的計算機，必將對人類社會產(chǎn)生極其深刻的影響。五、計算機發(fā)展趨勢 計算機發(fā)展趨勢是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等多極方向發(fā)展。 巨型化：天文、軍事、仿真等領(lǐng)域需要進行大量的計算，要求計算機有更高的運算速度、更大的存儲量，這

24、就需要研制功能更強的巨型計算機。 微型化：專用微型機已經(jīng)大量應(yīng)用于儀器、儀表和家用電器中。通用微型機已經(jīng)大量進入辦公室和家庭，但人們需要體積更小、更輕便、易于攜帶的微型機，以便出門在外或在旅途中均可使用計算機。應(yīng)運而生的便攜式微型機（筆記本型）和掌上型微型機正在不斷涌現(xiàn)，迅速普及。 網(wǎng)絡(luò)化：將地理位置分散的計算機通過專用的電纜或通信線路互相連接，就組成了計算機網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)可以使分散的各種資源得到共享，使計算機的實際效用大大提高。計算機聯(lián)網(wǎng)不再是可有可無的事，而是計算機應(yīng)用中一個很重要的部分。人們常說的因特網(wǎng)（INTERNET，也譯為國際互聯(lián)網(wǎng)）就是一個通過通信線路連接、覆蓋全球的計算機網(wǎng)絡(luò)。通過

25、因特網(wǎng)，人們足不出戶就可獲取大量的信息，與世界各地的親友快捷通信，還能進行網(wǎng)上貿(mào)易等。 智能化：目前的計算機已能夠部分地代替人的腦力勞動，因此也常稱為“電腦”。但是人們希望計算機具有更多的類似人的智能，比如：能聽懂人類的語言，能識別圖形，能自行學(xué)習(xí)等，這就需要進一步進行研究。 近年來，通過進一步的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)由于電子電路的局限性，理論上電子計算機的發(fā)展也有一定的局限，因此人們正在研制不使用集成電路的計算機，例如生物計算機、光子計算機、超導(dǎo)計算機等。六、計算機在我國的發(fā)展 華羅庚教授是我國計算技術(shù)的奠基人和最主要的開拓者之一。1952年在全國大學(xué)院系調(diào)整時，他從清華大學(xué)電機系物色了閔乃大、

26、夏培肅和王傳英三位科研人員在他任所長的中國科學(xué)院數(shù)學(xué)所內(nèi)建立了中國第一個電子計算機科研小組。我國從1957年開始研制通用數(shù)字電子計算機，1958年8月1日該機可以表演短程序運行，標志著我國第一臺電子計算機誕生。為紀念這個日子，該機定名為八一型數(shù)字電子計算機。改名為103型計算機(即DJS-1型)， 從1958年起，我國在研制第一代電子管計算機的同時就開始醞釀研制晶體管計算機，1965年研制成功的我國第一臺大型晶體管計算機（109乙機），改進后的109丙機在我國兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用，被用戶譽為“功勛機”。 我國到1970年初期陸續(xù)推出大、中、小型采用集成電路的計算機。1973年，北京大學(xué)與北

27、京有線電廠等單位合作研制成功運算速度每秒100萬次的大型通用計算機。進入上世紀80年代，我國高速計算機，特別是向量計算機有新的發(fā)展。1983年中國科學(xué)院計算所完成我國第一臺大型向量機757機，計算速度達到每秒1000萬次。這一記錄同年就被國防科大研制的銀河-I億次巨型計算機打破。銀河-I巨型機是我國高速計算機研制的一個重要里程碑，它標志著我國文革動亂時期與國外拉大的距離又縮小到7年左右。 和國外一樣，我國第四代基于超大規(guī)模集成電路的計算機研制也是從微機開始的。1983年原電子部六所研制成功與IBM PC機兼容的DJS-0520微機。1992年國防科大研究成功銀河-II通用并行巨型機，峰值速度達

28、每秒4億次浮點運算(相當于每秒10億次基本運算操作)，總體上達到上世紀80年代中后期國際先進水平。 從上世紀90年代初開始，國際上采用主流的微處理機芯片研制高性能并行計算機已成為一種發(fā)展趨勢。國家智能計算機研究開發(fā)中心于1993年研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機。1995年，國家智能機中心又推出了國內(nèi)第一臺具有大規(guī)模并行處理機(MPP)結(jié)構(gòu)的并行機曙光1000(含36個處理機)，峰值速度每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。 1997年國防科大研制成功銀河-III百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，采用可擴展分布共享存儲并行處理體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)綜合技術(shù)達到上世紀9

29、0年代中期國際先進水平。 國家智能機中心與曙光公司于1997至2004年先后在市場上推出具有機群結(jié)構(gòu)的曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超級服務(wù)器，曙光3000超級服務(wù)器、曙光4000超級服務(wù)器。其中，面向網(wǎng)格的曙光4000A具有十萬億次浮點運算能力。曙光4000系列為中國在高性能計算機（HPC）技術(shù)和產(chǎn)業(yè)超過歐洲位居世界第三做出了重要貢獻，使中國商品化HPC的制造水平達到世界先進水平。1.1.2計算機的特點與分類一、計算機的特點 計算機現(xiàn)已成為當今社會各行各業(yè)不可缺少的工具。計算機具有以下特點。、運算速度快 計算機由子器件構(gòu)成，具有很高的處理速度。目前世界上最快的計算機每秒

30、可運算萬億次，普通PC機每秒也可處理上百萬條指令。這不僅極大地提高了工作效率，而且使時限性強的復(fù)雜處理可在限定的時間內(nèi)完成。例如，計算機控制導(dǎo)航，要求“運算速度比飛機飛的還快”；氣象預(yù)報要分析大量資料，如用手工計算需要十天半月，失去了預(yù)報的意義。而用計算機，幾分鐘就能算出一個地區(qū)內(nèi)數(shù)天的氣象預(yù)報。、計算精度高 由于計算機采用二進制數(shù)字進行計算，因此可以用增加表示數(shù)字的設(shè)備和運用計算技巧等手段，使數(shù)值計算的精度越來越高，可根據(jù)需要獲得千分之一到幾百萬分之一，設(shè)置更高的精度。歷史上有個著名數(shù)學(xué)家挈依列，曾經(jīng)為計算圓周率，整整花了15年時間，才算到第707位?，F(xiàn)在將這件事交給計算機做，幾個小時內(nèi)就可

31、計算到10萬位。、“記憶”能力強大 計算機的存儲器類似于人的大腦，可以記憶大量的數(shù)據(jù)和計算機程序，隨時提供信息查詢、處理等服務(wù)。早期的計算機，由于存儲容量小，存儲器常常成為限制計算機應(yīng)用的“瓶頸”。今天，一臺普通的PC機內(nèi)存可達16-64MB，能支持運行大多數(shù)窗口應(yīng)用程序。當然，有些數(shù)據(jù)量特別大的應(yīng)用，如大型情報檢索、衛(wèi)星圖像處理等，仍需要使用具有更大存儲容量的計算機，如主機或巨型機。、具有邏輯判斷能力 邏輯判斷是計算機的又一重要特點，是計算機能實現(xiàn)信息處理自動化的重要原因。馮諾依曼型計算機的基本思想，就是將程序預(yù)先存儲在計算機中。在程序執(zhí)行過程中，計算機根據(jù)上一步的處理結(jié)果，能運用邏輯判斷能

32、力自動決定下一步應(yīng)該執(zhí)行哪一條指令。這樣，計算機的計算能力、邏輯判斷能力和記憶能力三者的結(jié)合，使得計算機的能力遠遠超過了任何一種工具而成為人類腦力延伸的有力助手。例如，數(shù)學(xué)中有個“四色問題”，說是不論多么復(fù)雜的地圖，使相鄰區(qū)域顏色不同，最多只需四種顏色就夠了。100多年來不少數(shù)學(xué)家一直想去證明它或者推翻它，卻一直沒有結(jié)果，成了數(shù)學(xué)中著名的難題。1976年兩位美國數(shù)學(xué)家終于使用計算機進行了非常復(fù)雜的邏輯推理驗證了這個著名的猜想。、具有自動控制能力計算機是由程序控制其操作過程的。只要根據(jù)應(yīng)用的需要，事先編制好程序并輸入計算機，計算機就能自動、連續(xù)的工作，完成預(yù)定的處理任務(wù)。計算機中可以存儲大量的程

33、序和數(shù)據(jù)。存儲程序是計算機工作的一個重要原則，這是計算機能自動處理的基礎(chǔ)。、通用性強計算機能夠在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，原因之一就是具有很強的通用性。計算機將任何復(fù)雜的信息處理任務(wù)編成各種不同的程序，存入存儲器中。計算機能自動、快速地信息處理，并且十分靈活、方便、易于變更，這就使計算機具有極大的通用性。同一臺計算機，只要安裝不同的軟件或連接到不同的設(shè)備上，就可以完成不同的任務(wù)。、人機交互輕松自如計算機具有多種輸入輸出設(shè)備，配上適當?shù)能浖螅芍С钟脩暨M行方便的人機交互。如鼠標器，當用戶手握鼠標，只需輕輕一點，計算機便隨之完成某種操作功能，真可謂“得心應(yīng)，心想事成”。當這種交互性與聲像技術(shù)結(jié)合形

34、成多媒體用戶界面時，更可使用戶的操作達到自然、方便、豐富多彩。二、計算機的分類 計算機的分類從不同的角度來考慮有多種不同的分類。、從處理的信號類型來分，可分為數(shù)字電子計算機和模擬電子計算機。 （）數(shù)字電子計算機 數(shù)字電子計算機以數(shù)字量（也稱為不連續(xù)量）作為運算對象并進行運算，其主要特點是：運算速度快、精確度高、具有“記憶”（存儲）和邏輯判斷能力。計算機的內(nèi)部操作和運算是在程序控制下自動進行的。一般不特別說明，計算機指的就是數(shù)字電子計算機。（）模擬電子計算機 模擬電子計算機時一種用連續(xù)變化的模擬量（如電壓、長度、角度來模仿實際所需要計算的對象）作為運算對象的計算機，其主要特點是：參與運算的數(shù)值由

35、不間斷的連續(xù)量表示，其運算過程是連續(xù)的，模擬計算機由于受元器件質(zhì)量影響，其計算精度較低，應(yīng)用范圍較窄，目前已很少生產(chǎn)。、按用途來分，可分為通用計算機和專用計算機（）通用計算機：用于解決各類問題而設(shè)計的計算機。通用計算機及可以進行科學(xué)計算、工程計算，也可用于數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制等。它是一種用途廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的計算機。（）)專用計算機：為某種特定目的而設(shè)計的計算機。例如用于數(shù)控機床、軋鋼控制、銀行存款等的計算機。專用計算機針對性強、效率高、結(jié)構(gòu)比通用計算機簡單。、按性能、規(guī)模大小來分，可分為巨型計算機、大中型計算機、小型計算機、微型計算機等。（）巨型計算機：規(guī)模大、速度快的計算機。目前巨型計算機的運

36、算速度已達萬億次/秒。巨型機一般用在國防和尖端科學(xué)領(lǐng)域。如戰(zhàn)略武器（如核武器和反導(dǎo)彈武器）的設(shè)計、空間技術(shù)、石油勘探、長期天氣預(yù)報以及社會模擬等領(lǐng)域。我國是世界上少數(shù)幾個能生產(chǎn)巨型機的國家之一，著名巨型機如：美國“走鵑”和“美洲豹”及歐洲最新的“Jugene”巨型計算機，我國自行研制的面向網(wǎng)格的曙光4000A（如圖1.8所示）具有十萬億次浮點運算 圖1.8 曙光4000A計算機能力。代表著我國計算機的最高水平?，F(xiàn)在世界上運行速度最快的巨型機已達到每秒千萬億次浮點運算。（）大中型計算機：規(guī)模較大、速度較快的計算機。一般只有大中型企事業(yè)單位才有必要配置和管理它。以大型主機和其他外部設(shè)備為主，并且配

37、備眾多的終端，組成一個計算機中心，才能充分發(fā)揮大型主機的作用。美國 IBM公司生產(chǎn)的IBM360、IBM370、IBM9000系列，就是國際上有代表性的大型主機。主要用于一般科學(xué)計算、事務(wù)處理等。（）小型計算機：一般為中小型企事業(yè)單位或某一部門所用，例如高等院校的計算機中心都以一臺小型機機為主機，配以幾十臺甚至上百臺終端機，以滿足大量學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計課程的需要。當然其運算速度和存儲容量都比不上大型主機。美國DEC公司生產(chǎn)的 VAX系列機、IBM 公司生產(chǎn)的AS/400機，以及我國生產(chǎn)的太極系列機都是小型計算機的代表。（）微型計算機：是以微處理器為核心，體積較小的計算機，如各種臺式計算機、筆記本

38、電腦、掌上計算機、智能手機、3G手機等。它們的特點是輕、小、價廉、易用。它雖然問世較晚，卻發(fā)展迅猛，今天，微型計算機的應(yīng)用已遍及到各個領(lǐng)域：從工廠的生產(chǎn)控制到政府的辦公自動化，從商店的數(shù)據(jù)處理到個人的學(xué)習(xí)娛樂，幾乎無處不在，無所不用。同時，隨著3G時代的到來，其功能會越來越強，也將獲得更大的發(fā)展。如圖1.9所示為微型計算機的兩種實例。 圖1.9 微型計算機1.1.3計算機在信息社會中的應(yīng)用一、科學(xué)計算 科學(xué)計算也稱數(shù)值計算，是計算機最早的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計算是指利用計算機來完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計算。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)工作中，科學(xué)計算問題是大量的和復(fù)雜的。計算機不僅快,而且精度高。以

39、天氣預(yù)報為例，如果用人工進行計算，預(yù)報一天的天氣情況就需要計算幾個星期，這就失去了時效。若用高性能的計算機系統(tǒng)，取得10天的預(yù)報數(shù)據(jù)只需要計算數(shù)分鐘，這就使中、長期天氣預(yù)報成為可能。今天，科學(xué)計算在計算機應(yīng)用中所占的比重雖然不斷下降，但在天文、地質(zhì)、生物、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究，以及空間技術(shù)、新材料研制、原子能研究等高、新技術(shù)領(lǐng)域中，仍然占有重要的地位。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，對計算機的速度和精度仍不時提出更高的要求。二、數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理是又稱信息加工，指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，80以上的計算機主要用于數(shù)據(jù)處理，成為最大的計算機應(yīng)用領(lǐng)域。直

40、到今天，數(shù)據(jù)處理在所有計算機應(yīng)用中仍穩(wěn)居第一位，耗費的機時大約占到全部計算機應(yīng)用的23。數(shù)據(jù)處理是現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)，它不僅可應(yīng)用于處理日常的事務(wù)，還能支持科學(xué)的管理與決策。一個企業(yè)，從市場預(yù)測、情報檢索，到經(jīng)營決策、生產(chǎn)管理，無不與數(shù)據(jù)的處理有關(guān)。隨著數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的擴大，在硬件上刺激著大容量存儲器和高速度、高質(zhì)量輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展,同時，也在軟件上推動了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、表格處理軟件、繪圖軟件以及用于分析和預(yù)測應(yīng)用的軟件包的開發(fā)。三、過程控制 過程控制是利用計算機及時采集檢測數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值迅速地對控制對象進行自動調(diào)節(jié)或自動控制。采用計算機進行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動化水平，而且可以

41、提高控制的及時性和準確性，從而改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。因此，計算機過程控制已在機械、冶金、石油、化工、紡織、水電、航天等部門得到廣泛的應(yīng)用。 例如，在汽車工業(yè)方面，利用計算機控制機床、控制整個裝配流水線，不僅可以實現(xiàn)精度要求高、形狀復(fù)雜的零件加工自動化，而且可以使整個車間或工廠實現(xiàn)自動化。四、輔助技術(shù) 計算機輔助技術(shù)包括：計算機輔助教學(xué)（computer aided instruction ，CAI）、計算機輔助設(shè)計（computer aided design ，CAD）、計算機輔助制造（computer aided manufacturing ，CAM）、計算機輔助測試（comp

42、uter aided testing，CAT）、計算機集成制造系統(tǒng)（computer integrated manufacturing systems，CIMS）等。、計算機輔助教學(xué)(computer aided instruction，簡稱CAI) 計算機輔助教學(xué)是利用計算機系統(tǒng)使用課件來進行教學(xué)。課件可以用著作工具或高級語言來開發(fā)制作，它能引導(dǎo)學(xué)生循環(huán)漸進地學(xué)習(xí)，使學(xué)生輕松自如地從課件中學(xué)到所需要的知識。CAI的主要特色是交互教育、個別指導(dǎo)和因人施教。、計算機輔助設(shè)計(computer aided design，簡稱CAD) 計算機輔助設(shè)計是利用計算機系統(tǒng)輔助設(shè)計人員進行工程或產(chǎn)品設(shè)計，以

43、實現(xiàn)最佳設(shè)計效果的一種技術(shù)。它已廣泛地應(yīng)用于飛機、汽車、機械、電子、建筑和輕工等領(lǐng)域。例如，在電子計算機的設(shè)計過程中，利用CAD技術(shù)進行體系結(jié)構(gòu)模擬、邏輯模擬、插件劃分、自動布線等，從而大大提高了設(shè)計工作的自動化程度。 、計算機輔助制造(computer aided manufacturing，簡稱CAM) 計算機輔助制造是利用計算機系統(tǒng)進行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程。例如，在產(chǎn)品的制造過程中，用計算機控制機器的運行，處理生產(chǎn)過程中所需的數(shù)據(jù)，控制和處理材料的流動以及對產(chǎn)品進行檢測等。使用CAM技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率和改善勞動條件。 、計算機輔助測試(c

44、omputer aided testing ，簡稱CAT) 計算機輔助測試是利用計算機作為工具的測試過程被測試的對象往往具有規(guī)模大，或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或測試工作量大，或精度要求高的特點，它們無法進行人工測試，利用計算機 輔助測試可以大大加快測試速度,提高測試精度，減少測試費用，也可以縮短產(chǎn)品的研制周期，提高產(chǎn)品的可靠性有些復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，由于其規(guī)模大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且無法直接接觸，測試工作量很大，單靠人工方法已不能完成，只有借助于計算機才能完成。例如大規(guī)模集成電路如果沒有計算機輔助測試，幾乎不可能有工業(yè)化的批量生產(chǎn)。、計算機集成制造系統(tǒng)（computer integrated manufactur

45、ing systems，簡稱CIMS） 計算機集成制造系統(tǒng)它是集設(shè)計、制造、管理等三大功能于一體的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。CIMS是從80年代初期迅速發(fā)展起來的一種新型的生產(chǎn)模式，具有生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。是將CAD和CAM技術(shù)集成，實現(xiàn)設(shè)計生產(chǎn)自動化，將真正做到無人化工廠(或車間)。 五、人工智能 人工智能(Artificial Intelligence，簡稱AI)也稱為“智能模擬”，是計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解和圖像識別等。近20余年來，圍繞AI的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：、機器人（Robots） ：機器人誕生于美國，但發(fā)展最快的是日本。一類叫“工

46、業(yè)機器人”，它由事先編制好的程序控制，通常用于完成重復(fù)性的規(guī)定操作：另一類是“智能機器人”，具有感知和識別能力，能說話和回答問題。、專家系統(tǒng)（Expert System）：專家系統(tǒng)是用于模擬專家智能的一類軟件。需要時只須由用戶輸人要查詢的問題和有關(guān)數(shù)據(jù)，專家系統(tǒng)通過推理判斷向用戶作出解答。該軟件既能保存專家的知識經(jīng)驗，又能模仿專家的思想與行為，所以稱為專家系統(tǒng)。著名的“關(guān)幼波肝病診療程序”，就是根據(jù)我國著名中醫(yī)幼波的經(jīng)驗制成的一個醫(yī)療專家系統(tǒng)。 、模式識別（Pattern Recognition）：這是AI最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，重點是研究圖形（包括符號和圖像）識別和語言識別。它的實質(zhì)是抽取被識別

47、對象的特征，即所謂模式，與事先存在于計算機中的已知對象的特征進行比較與判別。例如，機器人的社視覺器官和聽覺器官、公安機關(guān)的指紋分辨，乃至能夠識別手寫郵政編碼的自動分信機，都是模式識別的應(yīng)用實例。、智能檢索（Intelligent Search）：它除存儲經(jīng)典數(shù)據(jù)庫中代表已知“事實”外，智能數(shù)據(jù)庫和知識庫中還存儲供推理和聯(lián)想使用的“規(guī)則”，因而智能檢索具有一定的推理能力，能根據(jù)規(guī)則去推知比已知事實更多的內(nèi)容。例如機器人雖然有一個“大腦”，但它的數(shù)據(jù)庫容量有限，如果讓它具有智能檢索功能，必能使機器人更聰明。六、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信 計算機技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了計算機網(wǎng)絡(luò)。計算機網(wǎng)絡(luò)的建立，不僅解

48、決了一個單位、一個地區(qū)、一個國家中計算機與計算機之間的通訊，各種軟、硬件資源的共享，也大大促進了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數(shù)據(jù)的傳輸與處理。先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，將會引發(fā)信息革命。1.2計算機系統(tǒng)1.2.1 計算機的基本組成 一個完整的計算機系統(tǒng)是由計算機硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1.10所示。 硬件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)的載體，也稱“硬設(shè)備”；軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的靈魂，軟件系統(tǒng)控制、指揮和協(xié)調(diào)整個計算機系統(tǒng)的運行，也稱為“軟設(shè)備”。我們平時講到“計算機”一詞，都是指含有硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)。圖1.10 計算機系統(tǒng)組成一、計算機硬件系統(tǒng) 計算機硬件系統(tǒng)是

49、指構(gòu)成計算機的所有實體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機械等物理部件組成。由運算器（Calculator，又稱算術(shù)邏輯單元ALU，Arithmetic Logic Unit）、控制器（ontroller）、存儲器（Memory）、輸入設(shè)備（Input Device）和輸出設(shè)備（Output Device）五大部件組成的計算機硬件結(jié)構(gòu)稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)。其中的運算器和控制器構(gòu)成了計算機的核心部件中央處理器（Central Processing Unit ，簡稱CPU）。 計算機硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖1.11所示：圖1.11 計算機硬件體系結(jié)構(gòu) 、存儲器 存儲器是計算機存放指令和數(shù)據(jù)的

50、部件。計算機可根據(jù)需要隨時向存儲器存取數(shù)據(jù)。向存儲器存放數(shù)據(jù)，稱為“寫入”；從存儲器取出數(shù)據(jù)，稱為“讀出”。存儲器中有許多存儲單元，每一個單元可以存放一個字或字節(jié)的信息。為了使計算機能識別這些單元，每個存儲單元有一個編號，稱之為“地址”。這與旅館中的房間（存儲單元）和房號（存儲地址）相似。存儲器的工作方式就是按存儲單元的地址來實現(xiàn)對存儲字或字節(jié)的存（寫入）和取（讀出）的，通常稱為按地址訪問存儲器。地址是識別存儲器中不同存儲單元的唯一標志。、控制器 控制器是計算機的控制指揮部件，也是整個計算機的控制中心，其重要功能是對當前指令進行譯碼分析其所需要完成的操作，產(chǎn)生各部件所需要的控制信號，通過向計算

51、機的各個部件發(fā)出控制信號，使整個計算機自動、協(xié)調(diào)地工作。如控制存儲器和運算器之間進行信息交換，控制運算器進行運算，控制輸入輸出設(shè)備的正常工作。、運算器 運算器在控制器控制下，完成加減乘除運算、邏輯運算。在運算過程中，運算器不斷從存儲器獲取數(shù)據(jù)，并把所得的結(jié)果送回存儲器。運算器的技術(shù)性能高低直接影響著計算機的運算速度和整機的性能。、輸入設(shè)備 輸入設(shè)備是給計算機輸入信息的設(shè)備。外界的信息通過輸入設(shè)備轉(zhuǎn)換為計算機能識別的二進制代碼。、輸出設(shè)備 輸出設(shè)備是將計算機處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們或其他設(shè)備所能接收的形式。 一般地，等待運行的程序和原始數(shù)據(jù)在等待被送入系統(tǒng)時，輸入設(shè)備向控制器發(fā)送一個輸入請求，控制器在

52、接收到該請求后，就根據(jù)系統(tǒng)當前資源情況，特別是其自身的忙閑情況給輸入設(shè)備一個應(yīng)答。如果忙則應(yīng)答等待，如果空閑則應(yīng)答同意，程序和原始數(shù)據(jù)就由輸入設(shè)備通過數(shù)據(jù)總線被送入內(nèi)存儲器和運算器，然后，在控制器的控制下，執(zhí)行程序和處理相關(guān)的原始數(shù)據(jù)；當程序被執(zhí)行完畢后，控制器向輸出設(shè)備詢問輸出是否空閑，輸出設(shè)備接到控制器的指令后，根據(jù)自身狀態(tài)答復(fù)控制器的輸出請求，如果忙，則輸出暫不進行而轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，否則，加工處理后的數(shù)據(jù)在控制器的控制之下經(jīng)輸出設(shè)備輸出。計算機中所有部件均在控制器的控制下有條不紊地進行工作。二、計算機軟件系統(tǒng).1、程序、軟件的定義 計算機程序通常簡稱程序（Program），是指一組指揮計算

53、機每一步動作的指令，通常用某種程序設(shè)計語言編寫，運行于某種目標計算機體系結(jié)構(gòu)上。打個比方，一個程序就像一個用漢語（程序設(shè)計語言）寫下的紅燒肉菜譜（程序），用于指導(dǎo)懂漢語的人（計算機體系結(jié)構(gòu)）來做這個菜。因此，程序就是用程序設(shè)計語言描述的、適合于計算機處理并完成既定任務(wù)的一組指令序列。程序設(shè)計的最終結(jié)果是軟件。 計算機軟件(Computer Software，也稱軟件，軟體)是與計算機系統(tǒng)操作有關(guān)的程序、規(guī)程、規(guī)則及任何與之有關(guān)文檔及數(shù)據(jù)。它由兩部分組成：一是機器可執(zhí)行的程序及有關(guān)數(shù)據(jù)；二是機器不可執(zhí)行的、與軟件開發(fā)、運行、維護、使用和培訓(xùn)相關(guān)的文檔。程序必須裝入機器內(nèi)部才能工作，文檔一般是給人

54、看的，不一定裝入機器。 軟件是計算機系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。為了方便用戶，為了使計算機系統(tǒng)具有較高的總體效用，在設(shè)計計算機系統(tǒng)時，必須通盤考慮軟件與硬件的結(jié)合，以及用戶的需求和軟件的要求。、軟件系統(tǒng)及其分類 軟件系統(tǒng)(Software Systems)是指計算機系統(tǒng)中由軟件組成的部分。 軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的一個重要組成部分，它是計算機的靈魂，也是用戶與硬件之間的接口界面。用戶主要是通過軟件與計算機進行交流。沒有任何軟件支持的計算機稱為“裸機”，裸機幾乎是不能工作的。因此，計算機功能的強弱不僅取決于硬件系統(tǒng)的配置，同時，也取決于所配備軟件的情況。 軟件系統(tǒng)一般由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)軟件更為

55、通用，通常是獨立于應(yīng)用的，支持基本的計算機功能以及所有的應(yīng)用領(lǐng)域(而非特殊的應(yīng)用)，如操作系統(tǒng)。而應(yīng)用軟件主要用來完成面向用戶的某些特定應(yīng)用，諸如收帳和工資系統(tǒng)等。1.2.2 計算機的基本原理 一、指令和指令系統(tǒng) 指令就是使計算機完成一個操作所發(fā)出的命令，由于計算機只識別二進制編碼，因此，指令總是以二進制數(shù)碼來表示。指令通過輸入設(shè)備進入計算機系統(tǒng)。雖然不同指令所能完成的動作各不相同，但它們基本格式是一致的。指令由操作碼和操作數(shù)兩個部分組成，分別指明了指令所要完成的操作和參加操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)存放地址，如圖1.12所示。操作碼操作數(shù)圖1.12 指令格式 如指令：ADD R2，R4 其中ADD是這條

56、指令中的操作碼，指出了指令的功能是加法運算，R2和R4為操作數(shù)，表示將R2和R4兩寄存器中的內(nèi)容進行相加的操作，并將相加的結(jié)果放于R2寄存器中。 一臺計算機所擁有的指令集合叫做計算機的指令系統(tǒng)。不同的CPU的指令系統(tǒng)是不同的，為了增強CPU系統(tǒng)功能，新一代CPU產(chǎn)品中，在原有的基本功能基礎(chǔ)上，或多或少都要增加新指令。目前主流的CPU指令集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展指令集。二、計算機的基本工作原理 計算機采取“存儲指令與指令控制”的工作方式，即事先把指令加載到計算機的存儲器中，當啟動運行后，計算機便會自動按指令序列的要求進行工作。盡管計算機可以完成人們所要求

57、的各種復(fù)雜任務(wù)，但最終這些任務(wù)都是通過CPU一條一條地執(zhí)行機器指令來完成的。 CPU每執(zhí)行一條指令一般要經(jīng)歷若干個步驟，每一步驟完成一個操作。整個指令執(zhí)行過程可以描述為： 取指令 按照程序計數(shù)器PC中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，并送往指令寄存器IR。 分析指令 由譯碼器ID對存放在指令寄存器中的指令進行分析，分析指令的操作性質(zhì)，對操作碼進行譯碼，將操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電位信號。 執(zhí)行指令 由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，完成該指令操作碼所要求的操作。 當需要由存儲器向運算器提供數(shù)據(jù)時，控制器根據(jù)指令的地址部分，形成數(shù)據(jù)所在的存儲單元地址，并送往存儲器地址寄存器AR，然后

58、向存儲器發(fā)出讀命令，從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)由存儲器和數(shù)據(jù)寄存器DR送往運算器。 當需要由運算器向存儲器寫入數(shù)據(jù)時，控制器根據(jù)指令的地址部分，形成數(shù)據(jù)所在的存儲單元地址，并送往存儲器地址寄存器AR，再將欲寫的數(shù)據(jù)存入存儲器數(shù)據(jù)寄存器DR，最后向存儲器發(fā)出寫命令，DR中的數(shù)據(jù)即被寫入由AR指示地址的存儲單元中。 準備取下一條指令 一條指令執(zhí)行完成，程序計數(shù)器加1或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后再回到繼續(xù)進行。 例如，如圖1.13所示，假設(shè)待執(zhí)行指令序列已經(jīng)裝入內(nèi)存。其中第一條指令在內(nèi)存中的地址為0100H。假設(shè)該指令用以完成一次加法運算，指令的執(zhí)行過程為：圖1.13 指令執(zhí)行過程 第一步，根據(jù)程

59、序計數(shù)器PC內(nèi)容，在內(nèi)存中找到地址0100的存儲單元，從中取出指令070270H送入指令寄存器； 第二步，對指令寄存器中存放的指令070270H進行分析，由譯碼器對操作碼07進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制電位信號； 第三步，根據(jù)指令地址碼0270H確定操作數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲單元地址，在操作控制線路發(fā)出控制信號控制下，經(jīng)由地址寄存器AR和數(shù)據(jù)寄存器DR而取出0270H對應(yīng)存儲單元中的“數(shù)據(jù)”，將數(shù)據(jù)送入運算器執(zhí)行累加運算； 第四步，程序計數(shù)器自動加1成為0101或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址裝入程序計數(shù)器，準備執(zhí)行下一條指令。 在實際設(shè)計中，往往指令的執(zhí)行并不完全按照上述步驟逐步進行的，而是以更高的效率

60、進行。這是因為設(shè)計人員常以不同措施來提高指令處理速度。比如當對前一指令進行譯碼的同時，已經(jīng)將后一指令預(yù)取入內(nèi)存，就像一條流水線一樣，讓多條指令同時處理取指令、譯碼和運算的不同階段。甚至進一步，可以采用多條流水線設(shè)計，讓指令執(zhí)行效率更高。1.2.3 微型計算機概述與分類一、微型計算機概述 微型計算機屬于第四代電子計算機產(chǎn)品，即大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計算機，是電路技術(shù)不斷發(fā)展，芯片集成度不斷提高的產(chǎn)物。 微型計算機以微處理器為核心，再配上存儲器、接口電路等而構(gòu)成，簡稱微機。 微型計算機本質(zhì)上與其它計算機并無太多的區(qū)別，所不同的是由于廣泛采用了集成度相當高的器件和部件，特別是把組成計算機系統(tǒng)的兩大