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,,目 錄,第1章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 第2章：運(yùn)算方法和運(yùn)算器 第3章：存儲(chǔ)系統(tǒng) 第4章：指令系統(tǒng) 第5章：中央處理器 第6章：總線系統(tǒng) 第7章：外圍設(shè)備 第8章：輸入輸出系統(tǒng) 參考文獻(xiàn),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,1-1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 1-2 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用 1-3 計(jì)算機(jī)的硬件和軟件 1-4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1-1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史,電子計(jì)算機(jī)是一個(gè)統(tǒng)稱，實(shí)際上它被明確地分兩大類：“電子模擬計(jì)算機(jī)”和“電子數(shù)字計(jì)算機(jī)”。前者是使用連續(xù)變化的物理量(例如電流、電壓等)來(lái)表示數(shù)值的大小并參加機(jī)內(nèi)運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果自然也是連續(xù)變化的物理量；后者是將運(yùn)算對(duì)象數(shù)字化成為離散的數(shù)字量，用數(shù)碼進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果也是離散的數(shù)字信息，它運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高，現(xiàn)代人們所說(shuō)的“電子計(jì)算機(jī)”或“計(jì)算機(jī)”，都是指“電子數(shù)字計(jì)算機(jī)”，也是本書(shū)討論的對(duì)象。,電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，如果從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的問(wèn)世算起，到現(xiàn)在半個(gè)多世紀(jì)，在人類科技史上還沒(méi)有一種學(xué)科的發(fā)展速度可以與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度相提并論。 20世紀(jì)40年代，無(wú)線電技術(shù)和無(wú)線電工業(yè)的發(fā)展為電子計(jì)算機(jī)的研制準(zhǔn)備了物質(zhì)基礎(chǔ)，1943年～1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制的電子數(shù)字積分和計(jì)算機(jī)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)是世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。ENIAC計(jì)算機(jī)共用18000多個(gè)電子管，1500個(gè)繼電器，重達(dá)30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，每秒鐘能計(jì)算 5000次加法，研制人是埃克特(J．P．Eckert)和莫克利(J．W．Mauchly)。ENIAC計(jì)算機(jī)存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)，一是存儲(chǔ)容量太小，只能存20個(gè)字長(zhǎng)為10位的十進(jìn)制數(shù)，二是用線路連接的方法來(lái)編排程序，,因此每次解題都要依靠人工改接連線，準(zhǔn)備時(shí)間大大超過(guò)實(shí)際計(jì)算時(shí)間。 在ENIAC計(jì)算機(jī)研制的同時(shí)，馮諾依曼(Von Neumann)與莫克利、埃克特小組合作研制EDVAC計(jì)算機(jī)，在這臺(tái)計(jì)算機(jī)中確立了計(jì)算機(jī)的五個(gè)基本部件：輸入器、輸出器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器。程序和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，并采用了二進(jìn)制，確立了存儲(chǔ)程序的原則。現(xiàn)代的一般計(jì)算機(jī)被稱作馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。 第一代： 電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代(從1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)研制成功到五十年代后期)，將電子管、繼電器和存儲(chǔ)器用絕緣導(dǎo)線互連在一起，由單個(gè)CPU構(gòu)成，CPU用程序計(jì)數(shù)器和累加器順序完成定點(diǎn)運(yùn)算，采用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言，用CPU程序控制I／O。其主要特點(diǎn)是采用電子管作為基本器件。,,代表性系統(tǒng)有由John von Neumann，AnhurBurks和HermanGoldstine于1946年在普林斯頓大學(xué)研制成功的IAS計(jì)算機(jī)、由賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院于1950年制成的ENIAC、由IBM于1953年制造的IBM701計(jì)算機(jī)。 第二代：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代(1955～1964)，采用分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印刷電路將它們互連起來(lái)。采用了變址寄存器、浮點(diǎn)運(yùn)算、多路存儲(chǔ)器和I／O處理機(jī)。采用有編譯程序的高級(jí)語(yǔ)言、子程序庫(kù)、批處理監(jiān)控程序。這時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性。而且價(jià)格不斷下降。后來(lái)又采用了磁心存儲(chǔ)器，使速度得到進(jìn)一步提高。代表性系統(tǒng)有1959年制成的UnivacI。ARC、60年代的CDCl604和1962年制成的IBM7030。1969年1月制成的超大型計(jì)算機(jī)CDC 7600，速度達(dá)到每秒千萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算，是這一時(shí)期設(shè)計(jì)最成功的產(chǎn)品。,第三代：集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代(1965—1974)，采用小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路和多層印刷電路。采用了流水線、高速緩存和并行處理機(jī)。軟件方面采用多道程序設(shè)計(jì)和分時(shí)操作系統(tǒng)。這時(shí)期的計(jì)算機(jī)采用集成電路作為基本器件，因此功耗，體積，價(jià)格等進(jìn)一步下降，而速度及可靠性相應(yīng)地提高，這就促使了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。正是由于集成電路成本的迅速下降，產(chǎn)生了成本低而功能不是太強(qiáng)的小型計(jì)算機(jī)供應(yīng)市場(chǎng)，占領(lǐng)了許多數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用領(lǐng)域。代表性系統(tǒng)有IBM／360—370系列、CDC6600／7600系列、Texas儀表公司的ASC和Digital Equipment公司的PDP—8系列。IBM360系統(tǒng)是最早采用集成電路的通用計(jì)算機(jī)，也是影響最大的第三代計(jì)算機(jī)。它的主要特點(diǎn)是通用化，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。,通用化：指令系統(tǒng)豐富，兼顧科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制三個(gè)方面。 系列化：IBM360各檔機(jī)器采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式，字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入／輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證了程序兼容，當(dāng)用戶更新機(jī)器時(shí)原來(lái)在低檔機(jī)上編寫(xiě)的程序可以不作修改就使用在高檔機(jī)上。IBM360系統(tǒng)后來(lái)陸續(xù)增加的幾種型號(hào)仍保持與前面的產(chǎn)品兼容。后來(lái)，西歐與日本的一些通用計(jì)算機(jī)也保持與IBM360系統(tǒng)兼容。蘇聯(lián)和東歐國(guó)家聯(lián)合制造的“統(tǒng)一系統(tǒng)”也是與IBM360系統(tǒng)兼容的。 標(biāo)準(zhǔn)化：采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入／輸出接口，因而各個(gè)機(jī)型的外部設(shè)備是通用的。采用積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了各個(gè)型號(hào)的CPU獨(dú)立設(shè)計(jì)以外，存儲(chǔ)器、外部設(shè)備都采用標(biāo)準(zhǔn)部件組裝。,第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代(1974—1991)，采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，出現(xiàn)了用共享存儲(chǔ)器、分布存儲(chǔ)器或向量硬件選擇的不同結(jié)構(gòu)的并行計(jì)算機(jī)，開(kāi)發(fā)了用于并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語(yǔ)言和編譯器，同時(shí)產(chǎn)生了用于并行處理或分布處理的軟件工具和環(huán)境。七十年代初，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器問(wèn)世，迅速取代了磁心存儲(chǔ)器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，此后，大體上集成度每三年翻兩番(1971年每片1K位，到1984年達(dá)到每片256K位)，價(jià)格平均每年下降30％。邏輯電路也得到相應(yīng)的發(fā)展。 隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，通用機(jī)、巨型機(jī)，小型機(jī)、微型機(jī)都得到了發(fā)展。,1． 通用機(jī) 通用機(jī)是計(jì)算機(jī)工業(yè)中價(jià)值比重最大的產(chǎn)品，其中以IBM 370系統(tǒng)影響最大，它在與IBM 360系統(tǒng)兼容的前提下進(jìn)行了改進(jìn)。IBM公司為開(kāi)發(fā)360系統(tǒng)的軟件耗費(fèi)了巨大的人力和財(cái)力，1982年宣布的IBM 3084K大型通用機(jī)速度達(dá)到每秒2500萬(wàn)次，主存容量為64兆字節(jié)。其他計(jì)算機(jī)廠家在發(fā)展新機(jī)種時(shí)也遵循兼容的原則。某些計(jì)算機(jī)廠家走上與IBM計(jì)算機(jī)兼容的道路，稱之為PCM：Plug Compatible Mainframe(插接兼容主機(jī))或Program Compltible Mainframe(程序兼容主機(jī))，制造與IBM兼容的計(jì)算機(jī)，它們按IBM系列機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)制造主機(jī)，并直接引用IBM計(jì)算機(jī)的軟件，因而使產(chǎn)品的性能價(jià)格比優(yōu)于IBM原裝機(jī)，以爭(zhēng)奪市場(chǎng)。,2． 巨型機(jī) 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是國(guó)防技術(shù)的發(fā)展，需要有很高運(yùn)算速度，很大存儲(chǔ)容量的計(jì)算機(jī)，一般的大型通用計(jì)算機(jī)不能滿足要求。集成電路的進(jìn)展，為制造巨型機(jī)提供了條件。從60年代到70年代相繼完成了一些巨型機(jī)，其中取得最高成績(jī)的要推Cray—1計(jì)算機(jī)。針對(duì)天氣預(yù)報(bào)、飛行器的設(shè)計(jì)和核物理研究中存在大量向量運(yùn)算的特點(diǎn)， Cray—1計(jì)算機(jī)的向量運(yùn)算速度達(dá)每秒8000萬(wàn)次，并兼顧了一般的標(biāo)量運(yùn)算。1983年研制成功的CrayX—MP機(jī)向量運(yùn)算速度達(dá)每秒4億次。與此同時(shí)，CDC公司的CYBER 203和205先后完成，CYBER205每秒可進(jìn)行4億次浮點(diǎn)運(yùn)算。這些是80年代初期的水平最高的巨型機(jī)。但是這些成就還不能滿足一些復(fù)雜問(wèn)題的需要，所以不少單位開(kāi)展了性能更高的巨型機(jī)的研究工作。日本、英國(guó)、蘇聯(lián)，法國(guó)也先后開(kāi)始研制巨型機(jī)。,3． 小型機(jī) 小型機(jī)規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所以設(shè)計(jì)試制周期短，便于及時(shí)采用先進(jìn)工藝，生產(chǎn)量大，硬件成本低，同時(shí)由于軟件比大型機(jī)簡(jiǎn)單，所以軟件成本也低。再加上容易操作，容易維護(hù)和可靠性高等特點(diǎn)，使得管理機(jī)器和編制程序都比較簡(jiǎn)單，因而得以迅速推廣，掀起一個(gè)計(jì)算機(jī)普及應(yīng)用的浪潮。DEC公司的PDP—11系列是16位小型機(jī)的代表，到70年代中期32位高檔小型機(jī)開(kāi)始興起，DEC公司的VAXll／780于1978年開(kāi)始生產(chǎn)，應(yīng)用極為廣泛。VAXll系列與PDPIl系列是兼容的。小型機(jī)的出現(xiàn)打開(kāi)了在控制領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算機(jī)的局面，許多大型分析儀器，測(cè)量?jī)x器，醫(yī)療儀器使用小型機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整理、分析、計(jì)算等。應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上的計(jì)算機(jī)除了進(jìn)行上述工作外還可進(jìn)行自動(dòng)控制。,4． 微型機(jī) 微型機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，掀起計(jì)算機(jī)大普及的浪潮。利用4位微處理器Intel 4004組成的MCS—4是世界上第一臺(tái)微型機(jī)，于1971年問(wèn)世。Intel 8086是最早開(kāi)發(fā)成功的十六位微處理器(1978年)，Intel80286、80386與8086兼容。1981年以后32位微處理器相繼問(wèn)世，70年代后期，興起個(gè)人計(jì)算機(jī)(一種獨(dú)立微型機(jī)系統(tǒng))熱潮，最早出現(xiàn)的是Apple公司的AppleⅡ型微機(jī)(1977年)，此后各種型號(hào)的個(gè)人計(jì)算機(jī)紛紛出現(xiàn)。1981年一向以生產(chǎn)大中型通用機(jī)為主的IBM公司推出了IBM PC機(jī)，后來(lái)又推出擴(kuò)充了性能的IBM PC／XT，IBM PC／AT機(jī)，由于具有設(shè)計(jì)先進(jìn)、軟件豐富，功能齊全、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，很快成為微型機(jī)市場(chǎng)主流。國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S家相繼生產(chǎn)了與IBM PC兼容的個(gè)人計(jì)算機(jī)。低檔的個(gè)人計(jì)算機(jī)可供家庭娛樂(lè)和業(yè)余愛(ài)好者使用，高檔的用于經(jīng)營(yíng)管理、科學(xué)計(jì)算以及教育等方面。,第五代：(1991～現(xiàn)在)采用超大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝更加完善的高密度、高速度處理機(jī)和存儲(chǔ)器芯片。它的最重要特點(diǎn)是進(jìn)行大規(guī)模并行處理，采用可擴(kuò)展的和允許時(shí)延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第五代計(jì)算機(jī)具有：智能接口功能：能識(shí)別自然語(yǔ)言(文字、語(yǔ)音)、圖形、圖象；解題和推理功能：根據(jù)自身存儲(chǔ)的知識(shí)進(jìn)行推理，求解問(wèn)題。知識(shí)庫(kù)管理功能：計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)大量知識(shí)，可供檢索。代表性系統(tǒng)有Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公司的CM—5、Intel超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Paragon、SGI的Origin 2000和Sun公司的10000服務(wù)器。,隨同計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的還有軟件，應(yīng)該指出，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，推廣計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，改進(jìn)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)以及簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)的操作，使它從只供專家使用轉(zhuǎn)為面向大眾，軟件工作者起了決定性的作用。系統(tǒng)軟件不斷完善、升級(jí)，操作系統(tǒng)自動(dòng)地管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備以及多個(gè)程序的高效運(yùn)行，是第三代計(jì)算機(jī)時(shí)期的重大成就。 廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)的結(jié)果，計(jì)算機(jī)廠家向用戶提供軟件(系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件)時(shí)與硬件分別計(jì)價(jià)，并產(chǎn)生了專門(mén)從事軟件研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售工作的軟件公司。但是軟件的發(fā)展跟不上需要，軟件費(fèi)用急劇增長(zhǎng)，這是因?yàn)橛布枪I(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格不斷下降，而軟件為人工勞動(dòng)，生產(chǎn)率低，可靠性不高。,1-2 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用,1．2．1 計(jì)算機(jī)的分類 電子計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類。一類是電子模擬計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的。模擬計(jì)算機(jī)用電壓表示數(shù)據(jù)，電壓組合和測(cè)量值用來(lái)計(jì)算，盤(pán)上連線用來(lái)控制，精度低，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，沒(méi)有邏輯判斷能力。 另一類是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示是0和1，用數(shù)字計(jì)數(shù)，用程序控制，精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，有較強(qiáng)的邏輯判斷能力。 電子模擬計(jì)算機(jī)由于精度和解題能力都有限，所以應(yīng)用范圍較小。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)則與模擬計(jì)算機(jī)不同，它是以近似于人類的“思維過(guò)程”來(lái)進(jìn)行工作的，所以有人把它叫做電腦。,數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)一步又可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。專用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分的。專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)范圍很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。 通用計(jì)算機(jī)又可分巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和單片機(jī)六類，它們的區(qū)別在于指令系統(tǒng)規(guī)模、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、體積、簡(jiǎn)易性、功率損耗和機(jī)器價(jià)格，見(jiàn)圖1-1。,圖1-1 各種機(jī)型的區(qū)別,1．2．2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，從國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)到個(gè)人家庭生活，從軍事部門(mén)到民用部門(mén)，從科學(xué)教育到文化藝術(shù)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到消費(fèi)娛樂(lè)，小到電子手表、兒童玩具，大到衛(wèi)星、導(dǎo)彈的發(fā)射，應(yīng)該說(shuō)計(jì)算機(jī)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，是否使用計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為各單位或部門(mén)技術(shù)應(yīng)用水平高低的重要標(biāo)志。下面從幾個(gè)主要方面簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 1．科學(xué)計(jì)算 科學(xué)研究和工程技術(shù)計(jì)算領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早的領(lǐng)域，也是應(yīng)用得較廣泛的領(lǐng)域。例如數(shù)學(xué)、化學(xué)、原子能物理學(xué)、天文學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究，以及航天飛行、飛機(jī)設(shè)計(jì)、橋梁設(shè)計(jì)、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦等方面的大量計(jì)算都要用到計(jì)算機(jī)。,例如導(dǎo)彈或衛(wèi)星的發(fā)射，必須精確地計(jì)算其運(yùn)行軌道和目標(biāo)，24小時(shí)天氣預(yù)報(bào)，用手搖計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算需要幾個(gè)星期，改用高速計(jì)算機(jī)則只需要幾個(gè)小時(shí)或更短時(shí)間；生命科學(xué)中為測(cè)定胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行大量的、高精度的復(fù)雜運(yùn)算，只有采用高速計(jì)算機(jī)才成為可能。 2.計(jì)算機(jī)控制 在現(xiàn)代化工廠里，計(jì)算機(jī)普遍用于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，對(duì)于減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率能起到很好的作用。一般來(lái)說(shuō)是計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，因此又被稱做“過(guò)程控制”。各種類型的程控機(jī)床的推出，對(duì)于提高產(chǎn)品精度和合格率是任何人工所不可能達(dá)到的。用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)，一般都是實(shí)時(shí)控制，它們對(duì)計(jì)算機(jī)的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則將生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品，甚至造成重大設(shè)備事故或人身事故。用于控制的計(jì)算機(jī)，其輸入信息往往是電壓，溫度，機(jī)械位置等模擬量，要先將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行處理或計(jì)算。當(dāng)從被控制對(duì)象測(cè)量到的信息是溫度、位置等非電量時(shí)，要將它們轉(zhuǎn)換成電量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。,,如何測(cè)量，用什么儀表測(cè)量也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果是數(shù)字量，一般要將它們轉(zhuǎn)換成模擬量去控制對(duì)象，。 3.數(shù)據(jù)處理方面 計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，它僅僅用于數(shù)值計(jì)算。但是后來(lái)應(yīng)用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，可用來(lái)處理文字、表格、圖像、聲音等各類問(wèn)題。因此，確切地講，計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)稱為信息機(jī)，或叫信息處理機(jī)。信息處理的范圍相當(dāng)廣泛。網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)!正因?yàn)槿绱?，這一領(lǐng)域由于internet的廣泛應(yīng)用，所占的比例也最大，帶來(lái)的各種效益也十分明顯。,4.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)／計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD／CAM) 由于計(jì)算機(jī)有快速的數(shù)值計(jì)算、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理以及模擬的能力，因而目前在飛機(jī)、船舶、光學(xué)儀器、超大規(guī)模集成電路VLSI等的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，CAD／CAM占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。 在超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)制圖、照相制版、光刻、擴(kuò)散、內(nèi)部連接等多道復(fù)雜工序，是人工難以完成的。使用已有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)新的計(jì)算機(jī)，達(dá)到設(shè)計(jì)自動(dòng)化或半自動(dòng)化程度，從而減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，這也是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 由于設(shè)計(jì)工作與圖形分不開(kāi)，一般供輔助設(shè)計(jì)用的計(jì)算機(jī)配備有圖形顯示、繪圖儀等設(shè)備以及圖形語(yǔ)言、圖形軟件等。設(shè)計(jì)人員可借助這些專用軟件和輸入輸出設(shè)備把設(shè)計(jì)要求或方案輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果顯示出來(lái)，設(shè)計(jì)人員可用光筆或鼠標(biāo)器進(jìn)行修改或選擇，直到滿意為止。,近些年來(lái)，伴隨著CAD技術(shù)的推廣，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出現(xiàn)了許多新的分支。例如，計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAl)等均屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的范疇。國(guó)家教育部明確指示，學(xué)校要將CAI引入教學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體制、教學(xué)思想和教學(xué)方法的改革，要改變傳統(tǒng)的“一支粉筆、一塊黑板”的教學(xué)模式，把教學(xué)水平推上一個(gè)新的臺(tái)階，努力實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化。尤其是近年來(lái)，網(wǎng)上大學(xué)問(wèn)世，各種不同規(guī)模、不同類型的教學(xué)課件在網(wǎng)上大顯神通，教學(xué)體制將產(chǎn)生重大改革，不能說(shuō)這不是計(jì)算機(jī)的功勞。 5.人工智能 人類的許多腦力勞動(dòng)，諸如證明數(shù)學(xué)定理、進(jìn)行常識(shí)性推理，理解自然語(yǔ)言，診斷疾病、下棋游戲、破譯密碼等都需要“智能”。人工智能是將人腦在進(jìn)行演繹推理的思維過(guò)程、規(guī)則和所采取的策略、技巧等編成計(jì)算機(jī)程序，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)一些公理和推理規(guī)則，然后讓機(jī)器去自動(dòng)探索解題的方法，所以這種程序不同于計(jì)算機(jī)的一般應(yīng)用程序。人工智能的研究課題是多種多樣的，諸如計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)證明、景物分析、模擬人的思維過(guò)程、機(jī)器人等等，內(nèi)容很多。,以下棋為例，如果程序人員把走棋子的法則編成程序存入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以按規(guī)則走動(dòng)棋子，與人對(duì)弈。下棋的結(jié)果，計(jì)算機(jī)可能輸了，第二次再下，當(dāng)人的走法不變時(shí)，計(jì)算機(jī)就再輸一次。但是如果我們從方法和程序上研究一種新的手段，使計(jì)算機(jī)下棋輸了一次以后它能進(jìn)行自學(xué)習(xí)、自組織、自積累經(jīng)驗(yàn)，那么下次再下棋時(shí)就不會(huì)重犯上次的錯(cuò)誤，這就是人工智能所研究的課題。 智能機(jī)器人是人工智能各種研究課題的綜合產(chǎn)物，有感知和理解周?chē)h(huán)境、進(jìn)行推理和操縱工具的能力，并能通過(guò)學(xué)習(xí)適應(yīng)周?chē)h(huán)境，完成某種動(dòng)作。在不允許人進(jìn)入的場(chǎng)所(如高溫、有放射性物質(zhì)等)使用機(jī)器人有特殊的意義。 人工智能研究中最有成就的要算“機(jī)器人”。目前世界上有大量的“工業(yè)機(jī)器人”在生產(chǎn)線上或在高溫、有毒、輻射、深水等環(huán)境下工作。盡管它們只做一些非常簡(jiǎn)單的事情，但是任務(wù)完成得非常出色?，F(xiàn)在，又出現(xiàn)了比“工業(yè)機(jī)器人”更高明的“智能機(jī)器人”，它會(huì)自己識(shí)別控制對(duì)象和工作環(huán)境，作出判斷和決策，直接領(lǐng)會(huì)人的口令和意圖，能避開(kāi)障礙物，適應(yīng)環(huán)境條件的變化，靈活機(jī)動(dòng)地完成控制任務(wù)與信息處理任務(wù)。,1．3 計(jì)算機(jī)的硬件和軟件,1．3．1 計(jì)算機(jī)的硬件 計(jì)算機(jī)的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器，存儲(chǔ)器和控制器五部分組成。圖1．2為計(jì)算機(jī)硬件組成框圖。 輸入設(shè)備用來(lái)輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。最常用的輸入設(shè)備是鍵盤(pán)、掃描儀等。輸入的信息有數(shù)字，字母和控制符等，人們經(jīng)常用八位二進(jìn)制碼來(lái)表示一個(gè)數(shù)字(0～9)、一個(gè)字母(A，B，C，…，X，Y，Z)或其他符號(hào)，當(dāng)前通用的是ASCⅡ碼，它用七位二進(jìn)制碼來(lái)表示一個(gè)字符，最高的一位可用于奇偶校驗(yàn)或作其它用處。在計(jì)算機(jī)中，一般把八位二進(jìn)制碼稱為一個(gè)字節(jié)。 輸出設(shè)備用來(lái)輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果，可以是數(shù)字、字母、表格、圖形等。最常用的輸入輸出設(shè)備是顯示終端和打印機(jī)，處理結(jié)果顯示在屏幕上，而打印機(jī)則將結(jié)果打印在紙上，除此以外，為了監(jiān)視人工輸入信息的正確性，在用鍵盤(pán)輸入信息時(shí)，將剛輸入的信息顯示在屏幕上，如有錯(cuò)誤，可及時(shí)糾正。,圖1-2 計(jì)算機(jī)硬件組成框圖,,,1.運(yùn)算器 運(yùn)算器是對(duì)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，所以在其內(nèi)部有一個(gè)算術(shù)及邏輯運(yùn)算部件（ALU）。算術(shù)運(yùn)算是按照算術(shù)規(guī)則進(jìn)行的運(yùn)算，例如加、減、乘、除、求絕對(duì)值、求負(fù)值等。邏輯運(yùn)算一般是指非算術(shù)性質(zhì)的運(yùn)算，例如比較大小、移位、邏輯乘、邏輯加等。 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡(jiǎn)單。例如加法：0+0＝0，0+1＝1，l+0＝1，1+1＝10，最后一個(gè)加式中等號(hào)右邊的“1”表示向上一位的進(jìn)位。又如乘法：0X0＝0，Ox1＝0，1X0＝0，1X1=l0，正是由于二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算規(guī)律簡(jiǎn)單，在電子器件中比較容易實(shí)現(xiàn)，因此，在電子數(shù)字計(jì)算機(jī)中廣泛采用二進(jìn)制數(shù)。 二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)一樣，在運(yùn)算中，當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí)，計(jì)算的精度就越高。理論上講，數(shù)的位數(shù)可以任意多。但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多，因此目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度一般是8位、16位、32位或64位。,2.存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)各種信息的存儲(chǔ)和交流中心。存儲(chǔ)器的功能是保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。為此，在運(yùn)算前需要把參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和解題步驟通過(guò)輸入設(shè)備送到存儲(chǔ)器中保存起來(lái)。在控制器控制之下，存儲(chǔ)器可與輸入輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器交換信息，起存儲(chǔ)、緩沖、傳遞信息的作用。 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的全是0或1表示的二進(jìn)制代碼。那么大量的0、1代碼在存儲(chǔ)器中如何保存呢?目前采用半導(dǎo)體器件來(lái)?yè)?dān)當(dāng)此任務(wù)。我們知道，一個(gè)半導(dǎo)體觸發(fā)器有0和l兩種狀態(tài)，可以記憶一個(gè)二進(jìn)制代碼。一個(gè)數(shù)假定用16位二進(jìn)制代碼來(lái)表示，那么就需要有16個(gè)觸發(fā)器來(lái)保存這些代碼。通常，在存儲(chǔ)器中把保存一個(gè)數(shù)的16個(gè)觸發(fā)器稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成的。每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，稱為地址。向存儲(chǔ)器中存數(shù)或者從存儲(chǔ)器中取數(shù)，都要按給定的地址來(lái)尋找所選的存儲(chǔ)單元，這相當(dāng)于上面所講的橫格紙每一行存放一個(gè)數(shù)一樣。圖1-3為存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。,圖1-3為存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖,,存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通常用單位KB，MB來(lái)表示，存儲(chǔ)容量越大，表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息就越多。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量畢竟有限，因此計(jì)算機(jī)中又配備了存儲(chǔ)容量更大的磁盤(pán)存儲(chǔ)器和光盤(pán)存儲(chǔ)器，稱為外存儲(chǔ)器。 3.控制器 控制器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)化，即實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)執(zhí)行。 (1)計(jì)算程序 (2)指令的形式 (3)控制器的基本任務(wù) (4)指令流和數(shù)據(jù)流 4.適配器與輸入輸出設(shè)備,1．3．2 計(jì)算機(jī)的軟件 1．軟件的組成與分類 所有軟件都是使用某種語(yǔ)言編寫(xiě)的、可完成各種功能的程序。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言有機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言之分。 機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)硬件可直接識(shí)別的最低級(jí)的語(yǔ)言。它要求程序員不僅要了解機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且要掌握各條機(jī)器指令的二進(jìn)制編碼格式，這是很難做到的。因此利用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序是非常困難的。 匯編語(yǔ)言是采用助記符編程的語(yǔ)言，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序必須由匯編程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語(yǔ)言程序才能被機(jī)器執(zhí)行，匯編語(yǔ)言與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，能較好地發(fā)揮機(jī)器硬件的功能，因此要求程序員對(duì)機(jī)器硬件有一定的了解，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的序列機(jī)內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言級(jí)的軟件兼容。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行速度快，因此多用于實(shí)時(shí)控制。 高級(jí)語(yǔ)言是完全脫離機(jī)器硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同要求而設(shè)計(jì)出的通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，品種繁多，目前世界上使用的高級(jí)語(yǔ)言有上百種，大體上可分成兩大類：其一是會(huì)話型的高級(jí)語(yǔ)言，它必須由解釋程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語(yǔ)言程序才能被執(zhí)行，而且是一邊解釋一邊執(zhí)行，即每解釋一個(gè)語(yǔ)句就執(zhí)行一個(gè)語(yǔ)句，以達(dá)到人機(jī)會(huì)話的要求。,換句話說(shuō)，完全不了解計(jì)算機(jī)硬件的人，同樣可使用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)可執(zhí)行的源程序。 計(jì)算機(jī)軟件可分成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類，如圖1-4 計(jì)算機(jī)軟件組成圖。應(yīng)用軟件是由應(yīng)用程序員根據(jù)要求，使用各種語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序,是利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決某些問(wèn)題而編制的程序。系統(tǒng)軟件通常包括用來(lái)管理機(jī)器的操作系統(tǒng)，各種高級(jí)語(yǔ)言的編譯或解釋程序，匯編程序，數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序，還有系統(tǒng)調(diào)試程序、故障診斷程序和錯(cuò)誤檢測(cè)程序等，它們是由系統(tǒng)程序員編寫(xiě)的，一般不允許修改，可固定存放在機(jī)內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器中，或者存放在外部存儲(chǔ)器中，需要時(shí)調(diào)入機(jī)器的內(nèi)存儲(chǔ)器中去執(zhí)行。它包括以下四類：(1)各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等；(2)語(yǔ)言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；(3)操作系統(tǒng)；(OperatingSystem簡(jiǎn)稱OS)用來(lái)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源，提高這些資源的利用率，并為用戶使用計(jì)算機(jī)提供方便，屬于核心的系統(tǒng)程序。 一個(gè)操作系統(tǒng)的研制，常常需要上百個(gè)“人年”甚至更長(zhǎng)，目前比較流行的操作系統(tǒng)有MS-DOS，UNIX，WINDOWS，LINIX等。匯編、編譯或解釋程序?qū)儆谡Z(yǔ)言處理程序，是各種語(yǔ)言的源程序能在機(jī)內(nèi)正常運(yùn)行的關(guān)鍵軟件。,(4)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序是管理數(shù)據(jù)庫(kù)的工具，計(jì)算機(jī)在工作過(guò)程中常常需要處理大量的數(shù)據(jù)信息，它們可集中存放在各種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、使用和維護(hù)，使各種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序應(yīng)運(yùn)而生。從早期的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBASE到目前流行的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)ORACLE、SYBACE等，它們都能在操作系統(tǒng)的管理下，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和控制功能。除此之外，系統(tǒng)調(diào)試程序、故障診斷程序也是系統(tǒng)軟件中不可缺少的部分。 2．軟件的發(fā)展演變 早期的計(jì)算機(jī)中，是直接用機(jī)器語(yǔ)言(即機(jī)器指令代碼)來(lái)編寫(xiě)程序的，這種方式編寫(xiě)的程序稱為手編程序。這種用機(jī)器語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)的程序，計(jì)算機(jī)完全可以“直接識(shí)別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。,圖1-4 計(jì)算機(jī)軟件組成圖,,為了編寫(xiě)程序方便和提高機(jī)器的使用效率，人們想了一種辦法，用一些約定的文字、符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定的格式來(lái)表示各種不同的指令，然后再用這些特殊符號(hào)表示的指令來(lái)編寫(xiě)程序。這就是所謂的匯編語(yǔ)言。對(duì)人來(lái)講，符號(hào)語(yǔ)言簡(jiǎn)單直觀、便于記憶，比二進(jìn)制數(shù)表示的機(jī)器語(yǔ)言方便了許多。借助于匯編程序，計(jì)算機(jī)本身可以自動(dòng)地把符號(hào)語(yǔ)言表示的程序(稱為匯編源程序)翻譯成用機(jī)器語(yǔ)言表示的目的程序，從而實(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)工作的部分自動(dòng)化。使用符號(hào)語(yǔ)言編程序比用機(jī)器語(yǔ)言編程序是進(jìn)了一步，但符號(hào)語(yǔ)言還是一種最初級(jí)的語(yǔ)言，和數(shù)學(xué)語(yǔ)言的差異很大，并且仍然面向一臺(tái)具體的機(jī)器。由于不同的計(jì)算機(jī)其指令系統(tǒng)也不同，所以人們使用計(jì)算機(jī)時(shí)必須先花很多時(shí)間熟悉這臺(tái)機(jī)器的指令系統(tǒng)，然后再用它的符號(hào)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，因此還是很不方便，節(jié)省的人力時(shí)間也有限。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流，使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語(yǔ)言的算法語(yǔ)言。,所謂算法語(yǔ)言，是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。算法語(yǔ)言比較接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言，它直觀通用，與具體機(jī)器無(wú)關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計(jì)算機(jī)。有影響的算法語(yǔ)言有BASIC，F(xiàn)ORTRAN，C等。用算法語(yǔ)言編寫(xiě)的程序稱為源程序。但是，這種源程序如同匯編源程序一樣，是不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行的，也必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)既懂算法語(yǔ)言又懂機(jī)器語(yǔ)言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言。通常采用編譯方法和解釋方法這兩種方法。 用戶直接使用機(jī)器總覺(jué)得機(jī)器“太硬了”，很多情況都得依附它。而計(jì)算機(jī)又覺(jué)得用戶及外部設(shè)備“太笨”，常常使它處于無(wú)事可做的狀態(tài)，要擺脫這種情況還要依靠計(jì)算機(jī)來(lái)管理自己和管理用戶，于是人們又創(chuàng)造出一類程序，叫做操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序，而使多個(gè)用戶能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)的使用效率成倍地提高，并且為用戶提供了方便的使用手段和令人滿意的服務(wù)質(zhì)量。,根據(jù)不同使用環(huán)境要求，操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種。個(gè)人計(jì)算機(jī)中廣泛使用微軟公司的“視窗”操作系統(tǒng)。 隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報(bào)檢索及各種管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，要求大量處理某些數(shù)據(jù)，建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來(lái)，使得處理更方便，檢索更迅速，用戶使用更方便，于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)。所謂數(shù)據(jù)庫(kù)就是實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有各種類型。目前許多計(jì)算機(jī)包括微型機(jī)，都配有數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。軟件的進(jìn)一步發(fā)展，將開(kāi)發(fā)更高級(jí)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。這是因?yàn)槟壳八械母呒?jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序時(shí)，程序比較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本高。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言發(fā)展的方向是標(biāo)準(zhǔn)化、積木化、產(chǎn)品化，最終是向自然語(yǔ)言發(fā)展，它們能夠自動(dòng)生成程序。,1．4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 “計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這個(gè)名詞來(lái)源于英文computer architecture，也有譯成“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”的。Architecture這個(gè)字原來(lái)用于建筑領(lǐng)域，其意義是“建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計(jì)或式樣”，它是指一個(gè)系統(tǒng)的外貌。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個(gè)詞是Amdahl等人在1964年提出的。他們把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為由程序設(shè)計(jì)者所看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。這實(shí)際上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外特性。按照這一定義，不同程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)有不同的屬性。 在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，一種本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。通常，在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是透明的。由此看出，在層次結(jié)構(gòu)的各個(gè)級(jí)上都有它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，如圖所示。圖中每一級(jí)各對(duì)應(yīng)一種機(jī)器。圖中的第0級(jí)機(jī)器由硬件實(shí)現(xiàn)，第1級(jí)機(jī)器由微程序(固件)實(shí)現(xiàn)，第2級(jí)至第6級(jí)機(jī)器由軟件實(shí)現(xiàn)。我們稱由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器為虛擬機(jī)器，以區(qū)別于由硬件或固件實(shí)現(xiàn)的實(shí)際機(jī)器。 第0和第1級(jí)是具體實(shí)現(xiàn)機(jī)器指定功能的中央控制部分。它根據(jù)各種指令操作所需要的控制時(shí)序，配備一套微指令，編寫(xiě)出微程序，控制信息在各寄存器之間的傳送，這就是第1級(jí)機(jī)器。實(shí)現(xiàn)這些微指令本身的控制時(shí)序只需要很少的邏輯線路，可采用硬聯(lián)邏輯實(shí)現(xiàn)，它就是第0級(jí)機(jī)器，是機(jī)器的硬件內(nèi)核。 第2級(jí)是傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器。這級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是該機(jī)的指令系統(tǒng)。機(jī)器語(yǔ)言程序員用這級(jí)指令系統(tǒng)編寫(xiě)的程序由第1級(jí)的微程序進(jìn)行解釋。,第3級(jí)是操作系統(tǒng)機(jī)器。這級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言中的多數(shù)指令是傳統(tǒng)機(jī)器的指令，如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和移位等指令。此外，這一級(jí)還提供操作系統(tǒng)級(jí)指令，操作系統(tǒng)是運(yùn)行在第2級(jí)的解釋程序。 第4級(jí)是匯編語(yǔ)言機(jī)器。這級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序首先翻譯成第3級(jí)或第2級(jí)語(yǔ)言，然后再由相應(yīng)的機(jī)器進(jìn)行解釋。完成翻譯的程序叫作匯編程序。 第5級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器。這級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言就是各種高級(jí)語(yǔ)言。用這些語(yǔ)言所編寫(xiě)的程序 一般是由編譯程序翻譯到第4級(jí)或第3級(jí)上的語(yǔ)言，個(gè)別的高級(jí)語(yǔ)言也用解釋的方法實(shí)現(xiàn)。 第6級(jí)是應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器。這級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是應(yīng)用語(yǔ)言。這種語(yǔ)言使非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員也能直接使用計(jì)算機(jī)，只需在用戶終端用鍵盤(pán)或其他方式發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求就能進(jìn)入第6級(jí)的信息處理系統(tǒng)。,,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖,從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)劃分，大致可以認(rèn)為第0至第1級(jí)是計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)討論的范圍，第3至第5級(jí)是系統(tǒng)軟件，第6級(jí)是應(yīng)用軟件。但是，嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)又不盡然，它們之間仍有交叉。例如，第0級(jí)要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第2級(jí)涉及匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容；第3級(jí)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有些級(jí)別可能不存在。 把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，首先有利于正確理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作，明確軟件、硬件和固件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用。其次有利于理解各種語(yǔ)言的實(shí)質(zhì)及其實(shí)現(xiàn)。最后還有利于探索虛擬機(jī)器新的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,1．5 本章小結(jié),“電子計(jì)算機(jī)”是指現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)兩大類。專用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分的。通用計(jì)算機(jī)又分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)六類，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、性能、價(jià)格依次遞減。 計(jì)算機(jī)的生命力在于它的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用的范圍幾乎涉及人類社會(huì)的所有領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)的硬件是由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、適配器、輸入輸出設(shè)備。計(jì)算機(jī)的軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是計(jì)算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。計(jì)算機(jī)軟件一般分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件用來(lái)管理計(jì)算機(jī)的軟硬件它包括各種服務(wù)性程序、語(yǔ)言類程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。應(yīng)用程序是針對(duì)某一具體應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的軟件。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由硬件、軟件組成的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，它通常由微程序級(jí)、一般機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、匯編語(yǔ)言級(jí)、高級(jí)語(yǔ)言級(jí)組成。,