计算机系统概论

本文共--字 阅读约--分钟 | 浏览: -- Last Updated: 2021-04-18

计算机系统发展简史

  • 手工计算阶段
  • 机械计算阶段：1642年，第一个用齿轮计算的机械加法器；1854年，英国乔治·布尔把运算和逻辑建立在 “0” 和 “1” 两种值以及“与”、“或”、“非”三种基本逻辑运算上，布尔代数为二进制的数字计算奠定了理论基础，它也是现代一切数字设备的理论基础。
  • 电子计算阶段：1945年，ENIAC(Electronic Numberical Intergrator and Computer, 电子数字积分计算机) 现代计算机历史从此开始

计算机系统

计算机系统的硬件

计算机硬件是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。

冯·诺依曼思想体制：

  • 采用二进制数字代码形式标识各种信息。
  • 采用存储程序控制工作方式。
  • 计算机硬件由五大部件构成，运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

运算器+控制器 合称 CPU (Central Processing Unit, CPU, 中央处理机)，而把 CPU 和内部存储器一起成为主机 (Main Frame)，主机内的存储器成为内部存储器或简称内存，位于主机之外的存储器（如硬盘、软磁盘、光盘等）成为外部存储器或外存。外存和输入、输出设备一起又统称为外部设备或简称外设。

输入设备

输入设备的作用是将数据、程序送入计算机。送入计算机的只有一种形式，那就是二进制数据。常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、数码相机等。

存储器

存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。

程序是计算机操作的步骤，它由一条一条的指令组成。

指令由操作码和地址码组成，每条指令都是计算机可以执行的基本操作，数据则是计算机操作的对象。

访问存储器时，地址译码器将由地址总线送来的地址译码，以找到对应的存储单元，然后读写控制电路根据读/写命令产生的读出或写入时序信号，将存储器中指定单元的数据读出到数据总线上，或将数据总线上的数据写入到存储器的指定单元。

运算器

运算器是对信息进行运算和处理的部件，在计算机的运算有两类：算术运算和逻辑运算。主要由算术逻辑运算部件(Arithmetic Logiical Unit, ALU) 和用来暂存数据或存储运算结果的一系列寄存器组成。

控制器

控制器 (Control Unit) 是整个计算机的控制、指挥部件。它控制计算机各部件自动、协调地工作。控制器的实质就是解释程序。

输出设备

输出设备是将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形式的设备。例如，显示器、打印机、绘图仪等。

总线

除了上述五个部件外，计算机系统还必须有总线 (Bus)，计算机通过总线将五大部件连接起来，总线是它们之间相互传递信息的公共通路，主要任务是在各部件之间传送数据信息、地址信息、控制信息。因此总线通常包括数据总线 (Data Bus, DB)、地址总线 (Address Bus, AB)、控制总线 (Control Bus, CB)

  • 数据总线用来传送数据信息，是双向总线。
  • 地址总线用来传送CPU发出的地址信息，是单向总线，目的是指明与CPU交换信息的存储单元或输入输出设备。
  • 控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构

  • 数字逻辑层：最底层是由逻辑门组成的逻辑电路，成为数字逻辑层，数字逻辑层的各个门电路要组织成各种基本部件，例如寄存器、计算器、译码器、运算部件和存储部件等，完成计算机最基本的运算操作和存储功能等。

  • 微程序设计层：这是一个实在的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。

  • 机器语言层：又称为一般机器层，它由微程序解释机器指令系统。

上述三层功能都是由硬件来实现的，它们构成了计算机的物理（实际）机器。在物理机器的基础上，添加软件可以增加计算机的功能，形成一个更“大”的计算机系统，这种非物理地实现计算机功能的扩展称为“虚拟”机，因此，计算机系统的软件和硬件的分界线就是指令系统。指令系统以上的部分是软件，指令系统以下的部分是硬件，软件是由指令系统开始往上面设计，硬件由指令系统开始往下面设计。

  • 操作系统层：它由操作系统程序实现，而操作系统是由机器指令和广义指令组成。所谓广义指令，是操作系统定义和解释的软件指令。

  • 汇编语言层：它给程序员提供一种符号形式的语言，以减少程序员利用机器语言编写程序的复杂性。

  • 高级语言层：这一层由各种高级语言编译程序支持，高级语言层上运行的程序是用比汇编语言更高级、更接近于人类自然语言的高级语言所编写。

综上所述，不同层次之间的关系表现为：上一层是建立在下一层的基础上实现的，实现的功能更强大，对使用人员更方便。总之，从下层向上层发展，反映了计算机系统逐级生成的过程；而从上层向下层观察，则可帮助人们了解应用计算机求解问题的过程。

计算机系统的技术指标

计算机的基本性能一般从以下几方面来衡量：

  • 机器字长：字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，例如常说的32位、64位；
  • 内存容量：一个内存所能存储的全部信息量称为内存容量，8位1Byte(字节)。
  • 运算速度：它是用每秒能执行的指令条数来表示的，单位一般用 MIPS (Million Instructions Per second, 每秒百万条指令)表示。