01计算机系统基础

计算机系统基础

电子计算机（Computer）是一种现代化的信息处理工具，其主要特性标识是它的自动化、通用性、电子式及数字式。作为一种解决问题的工具，电子计算机可以用来解析自然界中各种现象，解决大到宇宙天体、人类社会，小到企业、事业、家庭中各种问题，大大地延伸了人脑的能力。电子计算机是20世纪人类的伟大创造，它对人类社会的进步与发展作用巨大，影响深远。电子计算机为人类认识自然、改造自然提供了强有力的信息处理工具；为人类发展科学技术，创造新文化提供了新的现代化工具；它引起了人类工作方式与生活方式的变化。

1.1 计算机概述

1946年美国发明了世界上第一台真正意义上的数字电子计算机系统ENIAC，此后的半个世纪中，随着微电子技术的发展，电子计算机技术发生了巨大的变化，其应用领域也愈来愈广泛，大量应用于科学技术、工农业生产、金融、商业、交通、国防、军工、教育等各个领域，它已成为社会劳动者的知识技能结构的基本组成部分。

1．1．1电子计算机发展简史

一、电子计算机的诞生

计算机起源于早期的机械计算工具。我国古代发明的算盘和算筹之类的计算工具是早期成功的计算机。这些工具依靠烦琐的计算口诀实现计算，计算过程中人类的劳动仍然很繁重。但是，人类对自动计算机械的追求却是从这些计算工具开始的。早期最有名的当属1642年法国数学家帕斯卡（B.Pascal）发明的齿轮式加法器，它的加法器原理对后来计算机械的发展产生了巨大而持久的影响。1673年德国数学家莱布尼兹（C.N.Leibnig）研制出能进行十进制乘除运算的通用计算器。1822年英国数学家巴贝奇（C.Babbage）制出了一台可以运转的分析机模型，又于1834年提出一个新的分析机设计思想，它几乎包括了现今计算机的全部基本功能，提到了在计算机中使用穿孔卡片。1890年美国的霍勒瑞斯（H.Hollerith）制成了穿孔卡片阅读机用于数据处理，它促成了“计算制表记录公司”的发展，并于1924年改名为“国际商业机器公司”，即鼎鼎大名的IBM公司。

最早采用电气元件制作计算机的是德国建筑师朱斯（K.Zuse），他从1934年开始研制程序控制的计算机、先后研制出Z1、Z2、Z3三种型号的机器，其中以1941年完成的机电式计算机Z3最为著名。该机全部采用继电器作为基本元件，采用机械存储器，存储器可以存储64个浮点二进制数。Collossus（巨人）是最早的可编程电子计算机之一，它是由英国邮电部于1943年研制成功的。

一般公认，ENIAC（电子数字积分机和计算机）是世界上第一台电子数字计算机，是1946年由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制的一台很完整的通用数字计算机。ENIAC是一个庞然大物，体积大约90立方米，占地170平方米，总重量达到30吨。它拥有电子管18000个，继电器1500个，以及大量的电阻、电容等。耗电150千瓦。ENIAC的计算速度，当时是无与伦比的，每秒钟可作5000次运算，比当时已有的最快的继电器式计算机要快上1000倍！它可以胜任相当广泛的科学计算，当时计算中的最复杂的问题，要数描写旋转体周围气流的五个双曲型偏微分方程组了。这个问题如果让机电式计算机来计算的话，需要花一个多月的时间；让人工手算，要花上几年时间，而埃尼阿克仅用了一个小时，就得到了正确结果。埃尼阿克实现了多年来人类将电子技术应用于计算机的梦想，为进一步提高运算速度开辟了极为广阔的前景。但该机当时的运算对象是十进制数的，并且程序是使用插头连线控制的，而不是采用二进制操作和程序存储控制，不具备现代电子计算机的主要特征。英国剑桥大学威克斯（M.V.Wilkes）根据冯．诺依曼的关于现代电子计算机的建议，于1949年完成了程序存储式计算机EDSAC（电子延迟存储自动计算机）才是世界上第一台电子数字计算机。EDSAC

使用电子管、采用串行二进制和程序存储方式，其程序和数据输入使用穿孔纸带、输出采用电传打字机，加减法运算速度已达每秒700次。可以说EDSAC基本上具备了现代计算机的主要特征。

二、电子计算机的代的划分

这里我们先说一说什么是计算机？计算机是一种能接受指令和数据输入，能够理解指令，并能按指令要求进行运算处理，最后能将结果输出的一种机器。电子计算机硬件是计算机的物理体现，它的发展对电子计算机的更新换代产生了巨大的影响，因此在过去50年中，计算机的代的划分均以计算机硬件变革为依据。计算机硬件的发展受到电子开关器件的极大约束。因此，习惯上是以器件更新作为计算机技术进步划代的一种标志。

第一代为电子管计算机，始于20世纪40年代中后期（1946～1957）。第一代计算机主要特点是使用电子管，采用冯·诺依曼等人提倡的程序存储二进制数字工作方式。由于磁鼓廉价、可靠，而成为第一代计算机的主导存储器。第一代计算机中，除了前述ENIAC和EDSAC 外，最具代表性的要以1950年制成的世界第一台商品化计算机UNIVAC－I。从此开始，计算机应用范围迅速扩大，但主要应用还是科学研究和军事目的。第一代计算机体积庞大、功耗大、故障率较高，运算速度为每秒1～2万次左右。

第二代为晶体管计算机，始于50年代中后期（1958～1964），主要特点是采用晶体管作为整机逻辑元件。第二代计算机全部使用磁心存储器作为主存储器，将磁鼓和磁带作为附属的外存储器。晶体管计算机使体积减小、可靠性提高、功耗降低，运算速度可达每秒执行百万条指令。被誉为第二代计算机先导的IBM7000系列在60年代曾非常流行，并且为IBM 第三代计算机的发展提供了硬件和软件的雏型。第二代计算机不仅用于科学研究，而且在事务处理领域也得到广泛应用。

第三代为集成电路计算机，始于60年代中期（1964～1972），主要特点是采用集成电路代替晶体管作为整机逻辑元件。这里，集成电路主要是指小规模集成电路（SSI）和中规模集成电路（MSI）。第三代机仍以磁心作为主存储器，而在第二代中作为辅助存储器的磁鼓存储器逐渐被淘汰，磁盘存储器开始占了优势。1964年推出的IBM/360系列是第三代计算机的代表性产品，并且创下生产33000台的辉煌记录，成为计算机生产和应用大发展的转折点。

第四代计算机始于70年代中后期（1973～），主要特征是普遍采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）技术。与第三代集成电路计算机相比，虽然只在集成电路集成度上发生了数量变化，但在性能上却产生了质的飞跃。首先，由一片或几片芯片组成的微处理器导致一种新的微型计算机进入了人类的社会生活，进一步开拓了计算机应用的新领域。其次，半导体存储器终于最后地取代了延续了两代之久的磁心存储器。辅助存储器仍以磁盘存储器为主体。

日本政府于1982年提出了第五代计算机的概念，目标是实现智能计算机。这种机器将与现有的擅长数值运算的计算机不同，它将和人脑一样具有推理和学习功能。它可以听懂人类的语言，能识别物体、图形和声音，具有理解和推理功能，能完成知识获取、知识检索和知识更新。该计划未能达到目标，于1992年宣布结束。虽然该计划未能直接促进计算机的更新换代，但对推动人工智能，特别是并行推理技术的发展起了积极作用。

自计算机采用集成电路用元器件以后，集成电路的集成度差不多每隔18个月就要翻一翻，其价格也相应降低一倍，这就是计算机世界的摩尔定律，这一定律至今仍起作用，它支配着计算机性能价格比的提高。

1．1．2生活工作不可缺少的工具和发展的动力

电子计算机是20世纪科学技术发展的重要标志。自从18世纪瓦特发明蒸汽机以来，