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

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

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