计算机系统概述

计算机系统概述

现代人都知道，计算机由硬件系统和软件系统组成，但是不了解计算机的产生和设计原理，很难真正理解计算机的结构。

从刀耕火种到坐在计算机前冲浪，人类经历了漫长的探索，在这种艰辛且充满惊喜的探索中计算机一步步向我们的理想逼近。

第一节计算机的创始及结构

一、从原始计数法到机械计算机

在远古时代，人类首先从自身找到了最原始的计数工具——手，用手指来计数。为了能表达比10个手指更多的数目，古代人们想出第二种计数工具——石子。石子、贝壳、绳结、木棒不但作为统计财产、人数、猎物的工具，还能保留下统计的结果，这是现代计算机原理中存储思想的最初萌芽。

大约1000多年前，东方文明古国——中国开始使用算盘，这是世界上最古老的、流传最广的计算工具。古代算盘是用小棒（或石子、金属块等）排放在不同位置上，表示不同的位权，并按此进位与借位。可见，那时已经有了进位计数的概念。

1642年，19岁的法国数学家布莱斯·帕斯卡（Blaise Pascal）发明了装有手转圆轮的机械加法器。

帕氏加法器里，一个圆轮代表一位数。轮上分为10个相等部分，刻有0～9十个数字。做加法时，顺时针转动圆轮，当转到0刻度，便自动将高位圆轮带进一格。巴氏加法器用纯粹机械运动代替人们的思考和记录，表示人类开始向自动计算工具的迈进。为了纪念他，程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。

现代计算机的先驱者是英国的数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）（1792一1871）。1833年在他的微分分析机（differential analyzer）的设计方案中，他天才地提出了计算工具至少必须具有五个独立的部分：

①输入部分送入需要处理的问题和信息.；

②存储库保存信息，以便机器使用；

③运算室能进行各种实际的运算；

④控制器指挥机器按顺序工作；

⑤输出部分送出问题处理的结果。

这台机器仍属于机械计算机，但是他的思想在当时确实太先进了，直至100多年后才开发了电子计算机。巴贝奇的许多观点被一位女伯爵、著名的女诗人Augusta AdaByron记载下来，并深入分析。她可以算是世界上第一个计算机程序设计员，程序设计语言Ada则因她的荣耀而命名。

二、电子计算机的诞生

聪明的人脑可以记忆、可以计算、可以判断，但是成功地描述、模拟乃至制造出大脑功

能类似的机器是在电子计算机出现以后的事。20世纪30年代后期，数学家图灵﹙A．M．Turing﹚的研究为我们揭示了人脑计算的本质，开启了机器脑时代的大门。

图灵的研究是从计算一个数的一般过程入手的，根据图灵的研究，直观地说，所谓计算就是计算者﹙人或机器﹚对一条两端可无限延长的纸带上的一串0和1执行指令，一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。图灵用形式化方法成功表述可计算这一过程的本质，奠定了计算科学的理论基础。

1946年2月14日，世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。该机是使用电子线路来执行算术和逻辑运算以及信息存储的真正工作的计算机器，它的成功研制显示了电子线路的巨大优越性。在图灵等人工作的影响下，1946年6月，美国杰出的数学家冯·诺依曼及其同事完成了关于《电子计算装置逻辑结构设计》的研究报告，具体介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想，给出了由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5类部件组成的，被称为冯·诺依曼型计算机﹙或存储程序式计算机﹚的组织结构，以及实现它们的方法，为现代计算机的研制奠定了基础，至尽为止，大多数计算机采用的仍然是冯·诺依曼型计算机的组织结构，只是作了一些改进而已。因此，冯·诺依曼被人们誉为“计算机器之父”。

世界上第一台电子计算机的诞生标志着人对大脑的模拟进入了一个新的崭新阶段。这台可操作的电子数字计算机称为ENIAC（electronic numerlcJ Integrator and calculator），由美国宾夕法尼亚大学的John Mauchly和J. P.Eckert发明。ENIAC是个庞然大物，它占地170平方米，重量超过30吨，并使用了多于18000个电真空管，耗资40万美元。

图1

三、计算机系统结构

半个多世纪以来，计算机已发展成为由巨型机、大型机、小型机、微型机等组成的一个庞大的计算机家族，尽管每个成员在规模、性能、结构以及应用等方面存在着很大差别，但是它们的基本组成结构是相同的。

（一）计算机系统的组成

任何机器的功能决定了它的组成，从工作原理探究机器的组成就像踏着设计者的足迹前行一样。谈到计算机系统的组成首先要看看冯氏计算机系统的基本原理是什么，本质的来说冯氏计算机系统的工作原理就是：取指令，执行指令循环往复。如图2所示。

图2 冯氏计算机系统基本原理

计算机不断地取得指令，并遵照指令完成某项工作，这项工作和人完成一道简单的算术题没有什么两样，比如计算()312+⨯

第一步，“()31+”：

从纸上读（取）数据1和3， 取数据

从纸上读（取）指令“+”， 取指令

大脑进行“加”操作， 执行指令

第二步，第一步的结果⨯2

从纸上读（取）数据2， 取数据

从纸上读（取）指令“×”， 取指令

大脑进行“乘”操作， 执行指令

要完成以上的操作就需要以下部件：

1 能存储数据和指令的部件，冯氏计算机系统中把这个部件叫存储器。

2 执行运算指令的部件，冯氏计算机系统中把这个部件叫运算器。

3 决定何时取指令，何时执行指令的部件，冯氏计算机系统中把这个部件叫控制器。由此，我们得到了冯氏计算机的最基本组成：存储器、运算器、控制器。如图3所示。

执行指令

图3 计算机基本组成