計算機系統(tǒng)

　　1 .計算機的發(fā)展

　　自 1946 年 2 月美國賓夕法尼亞大學誕生世界上第一臺電子數(shù)字積分計算機 ENIAC 以來，計算機的發(fā)展隨著其主要部件的演變經(jīng)歷了如下幾代歷程：

　　( l )第一代計算機(1946～1956 年)，其主要基本特征是其主要部件為電子管;

　　( 2 )第二代計算機(1956～1962 年)，其主要特征是其主要部件為晶體管;

　　( 3 )第三代計算機(1962～1970 年)，其主要特征是其主要部件為中、小規(guī)模集成電路;

　　( 4 )第四代計算機(1971 年～至今)，其主要特征是其主要部件為大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路。如 1971 年英特爾公司( Intel )推出了第一代微處理器芯片 Inte14004 。

　　未來的計算機發(fā)展趨勢是：高性能、人性化、網(wǎng)絡化、多媒體、多極化和智能化。

　　2 .計算機的分類

　　計算機的分類方法有多種，具體為：

　　( 1 )按計算機所處理的量值不同，可分為模擬計算機和數(shù)字計算機。

　　( 2 )按數(shù)字計算機用途，可分為專用計算機和通用計算機。

　　( 3 )按計算機內部邏輯結構，可分為復雜指令系統(tǒng)計算機和精簡指令系統(tǒng)計算機。

　　( 4 )按計算機的字長不同，可分為 8 位機、 16 位機、 32 位機和 64 位機。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，計算機分類方法也會發(fā)生變化。

　　3 .計算機系統(tǒng)組成及其特點

　　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)組合而成的，如圖 7-4-1 所示。計算機系統(tǒng)的特點是：具有計算、判斷、存儲、快速操作能力，精確計算能力，通用性好，通俗易用和聯(lián)網(wǎng)功能。

　　4 .計算機硬件系統(tǒng)組成。

　　按照馮·諾依曼結構原理，計算機至少應由運算器、控制器、存儲器、輸人設備和輸出設備五部分組成。

　　通常將運算器和控制器統(tǒng)稱為中央處理器，簡稱 CPU 。由中央處理器和內存儲器構成主機。 CPU 是分析指令和執(zhí)行指令的部件，是計算機的核心，它主要由運算器、控制器和通用寄存器組成。

　　存儲器，其主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)，可分為內存儲器(主存)和外存儲器(輔助)。目前內存儲器多數(shù)是半導體存儲器，外存儲器通常是磁盤、磁帶、光盤等。

　　( 1 )總線

　　在計算機中，各部件之間傳遞的信息可分為：地址信息、數(shù)據(jù)信息(包括指令)和控制信息三種類型。

　　總線是計算機內部傳輸各種信息的通道，是一組公共信息傳輸線路，并能為多個部件服務，可分時地發(fā)送和接收各部件的信息。根據(jù)總線傳送信息的類別，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。

　　總線工作方式通常是由發(fā)送信息的部件分時地將信息發(fā)往總線，再由總線將這些信息同時發(fā)往各個接收信息的部件。對于由哪個部件接收信息，則由輸人脈沖控制決定。總線的數(shù)據(jù)通路寬度是指能夠一次并行傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。

　　( 2 )數(shù)模/模數(shù)轉換設備

　　計算機硬件系統(tǒng)中的新成員包括輔助存儲器和數(shù)模/模數(shù)轉換設備。其中，數(shù)模/模數(shù)轉換設備，其功能是在實時控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)中，將模擬量變換為相應的數(shù)字量，輸人計算機;或將計算機中數(shù)字量變換為相應的模擬量，輸出到被測試對象。

　　5 .計算機軟件系統(tǒng)

　　組成根據(jù)軟件的功能和特點，一般將計算機軟件分為兩大類：系統(tǒng)軟件和應用軟件。按照應用和虛擬機的觀點，計算機軟件又可分為三大類：系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件。

　　沒有軟件支持的計算機稱之為“裸機”。

　　( 1 )系統(tǒng)軟件一般地，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、診斷程序等。操作系統(tǒng)是計算機硬件和各種用戶程序之間的接口程序，位于各種軟件的最底層。操作系統(tǒng)的特征是：并發(fā)性、共享性、隨機性。操作系統(tǒng)有兩個主要功能：資源管理和提供友好的界面。操作系統(tǒng)的分類，具體為：

　　① 按系統(tǒng)功能分：批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng);

　�、� 按計算機配置分：單機配置(又分為大、小、微型和多媒體操作系統(tǒng))、多機配置(又分為網(wǎng)絡、分布式操作系統(tǒng)) ;

　�、� 按用戶數(shù)目分：單用戶操作系統(tǒng)(如 MS DOS 、 Windows2000 、 XP )、多用戶操作系統(tǒng)(如 UNIX ) ;

　　④ 按任務數(shù)量分：單任務操作系統(tǒng)、多任務操作系統(tǒng)。

　　批處理操作系統(tǒng)的特點是：批處理、多道程序操作系統(tǒng)。

　　分時操作系統(tǒng)的特點是：同時性、交互性、獨占性。

　　實時操作系統(tǒng)的特點是：及時性，即及時接收來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，及時對其進行分析處理，及時作出相應的響應。實時操作系統(tǒng)通常包括實時控制系統(tǒng)和實時處理系統(tǒng)。

　　分布式操作系統(tǒng)的特征是：統(tǒng)一性、共享性、透明性和自治性。它與網(wǎng)絡操作系統(tǒng)相比，具有更短的響應時間，高容量和高可靠性。兩者的主要區(qū)別在于資源管理、通信和系統(tǒng)結構。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，如 Windows NT 、 Windows 2000 。對網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的要求是保證信息傳輸?shù)臏蚀_性、安全性和保密性。

　　( 2 )支撐軟件與應用軟件目前，支撐軟件主要包括：各種接口軟件、工具軟件和數(shù)據(jù)庫。其中，常見的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有： Microsoft Access 、 Foxpro 、 Oracle 、 SQL Server 。應用軟件，如文字處理軟件、表格處理軟件、輔助設計軟件、實時控制軟件(像 FIX 、 InTouch , Lookout )等。

　　6 .計算機程序設計語言

　　計算機程序設計語言的發(fā)展歷程為： ① 第一代語言 ― 機器語言; ② 第二代語言 ― 匯編語言; ③ 第三代語言 ― 高級語言、算法語言; ④ 第四代語言 ― 面向問題的語言，如 SQL的數(shù)據(jù)庫查詢語言， ⑤ 第五代語言 ― 智能性語言，如 PROLOG 語言。

　　( 1 )匯編程序與編譯程序

　　匯編程序是指把由匯編語言編寫的源程序，翻譯成目標程序(即計算機可執(zhí)行程序)的軟件。

　　編譯程序是指把由高級語言編寫的源程序，翻譯成計算機可執(zhí)行程序的軟件。

　　計算機能執(zhí)行高級語言編寫的程序，實際上是先將用高級語言編寫的程序(稱為源程序)，用解釋或編譯的方法，變?yōu)橛嬎銠C可執(zhí)行程序(或稱為機器語言程序)，再由計算機執(zhí)行這個機器語言程序。所以，一個計算機程序的執(zhí)行過程可分為編程、編譯、連接和運行四個過程。

　　上述解釋或編譯的方法，可用編譯程序和解釋程序，兩者的本質區(qū)別是：在翻譯的過程中，編譯程序是在整體理解源程序的基礎上進行翻譯的，而解釋程序對源程序采取的是根據(jù)程序語句執(zhí)行的，順利進行逐條語句翻譯的方法。

　　其次，編譯程序有保存的目標程序，而解釋程序無保存的目標程序;

　　第三，編譯代碼比解釋代碼運行的速度要快。

　　使用編譯程序的高級語言有 FORTRAN 、COBOL 、 PASCAL 、 C++、 VisualC++等。使用解釋程序的高級語言有 BASIC 。

　　( 2 )常用的程序設計語言 FORTRAN 語言，主要用于科學計算，廣泛用于數(shù)學、科學和工程計算。

　　BASIC 語言，主要為初學者設計的小型高級語言; Visual BASIC ( VB )是 Windows 下的可視化編程語言環(huán)境，支持面向對象的程序設計。

　　C 語言，適用于系統(tǒng)軟件和大量應用軟件。 C 語言是結構化、模塊化的語言，是面向過程的。 C ++語言，是增加了面向對象的程序設計的“類” ( Class )的機制，其功能比 C 語言更強大。 PASCAL 語言，適用于教學，用于幫助學生學習計算機編程。 LISP 語言，人工智能程序，主要用于構建人工智能程序。

　　Java語言，是完全面向對象的語言，是因特網(wǎng)應用的主要開發(fā)語言之一，并且它的運行與操作系統(tǒng)平臺無關。