# **計算機系統概論** ## 一、計算機的誕生和發展 ### **1.計算機特點** 1. 儲存記憶； 2. 依程式自動、高速； 3. 高速運算(數值運算、邏輯運算) ### **2.計算機分類** - **原理角度：**①數字計算機②模擬計算機 - **效能指標：**①巨型機②大型機③小型機④微型機 - **用途角度：**①專用機②通用機 - **指令流**(機器執行的指令序列)數量和資料流(由指令流呼叫的資料序列)數量： - 單指令流單資料流(SISD)計算機系統 - 單指令流多資料流(SIMD)計算機系統 - 多指令流單資料流(MISD)計算機系統 - 多指令流多資料流(MIMD)計算機系統 ### 3.**計算機誕生** - **ENIAC** - **時間：**1943-1946研製，1946年2月14日交付 - **地點：**美國賓夕法尼亞大學 - **人物：**埃克特、莫克利 - **用途：**二戰時期計算彈道問題，200多人完成一張表 - **特點：**18000多個電子管，1500個繼電器，30噸，170平方米，140kW，5000次加法/秒 - **缺點：**①儲存容量小，20個字長為10位的十進位制數②效率低，人工線路連線方法程式設計 ### 4.**馮·諾依曼型機器** - 由運算器、控制器、儲存器、輸入裝置和輸出裝置5部分組成 - 採用儲存程式的方式，程式和資料放在同一個儲存器中，以二進位制碼錶示 - 指令由操作碼和地址碼組成 - 指令在儲存器中按執行順序存放，一般順序執行，但也可按運算結果或外界條件而改變 - 機器以運算器為中心，輸入輸出裝置與儲存器間的資料傳送都通過運算器 ### 5.**計算機的發展** - **第一代：電子管計算機時代** - **特點：**採用電子管作為基本器件 - **第二代：電晶體計算機時代** - **特點：**採用電晶體為主要器件 - **第三代：積體電路計算機時代** - **特點：** - 採用積體電路作為基本器件 - 通用化：指令系統豐富，兼顧科學計算、資料處理、實時控制 - 系列化：各個型號機器的CPU獨立設計，採用標準的輸入輸出介面，各個機型的外部裝置是通用的，儲存器、外部裝置都採用標準部件組裝 - **第四代：大規模積體電路計算機時代** - **第五代：超大規模積體電路** ## 二、**計算機的硬體** ### **1.計算機中執行的程式** + **程式執行的過程：**就是按照給定次序執行一組指令的過程 + **指令**： + **操作碼：**規定該指令執行什麼樣的運算(或操作) + **地址碼：**規定對哪些資料進行運算，通常表示的是資料地址 + 由於二進位制碼不易辨認，因此往往用符號來表示一條指令 ### 2.**計算機硬體的組成** -  -  - **輸入裝置：** - **作用：**輸入原始資料和處理這些資料的程式(輸入資料和程式) - **輸入種類：**數字符、字母和控制符等，當前通用ASCAII碼錶示，7位二進位制數表示一個字元 - **輸入裝置：**鍵盤、滑鼠等 - **輸出裝置**： - **作用：**輸出計算機的處理結果 - **輸出種類：**可以是數字、 字母 、表格和圖形影象等 - **輸出裝置：**顯示器、印表機等 - **儲存器：** - **作用：**用來存放程式和資料 - **基本組成：** - **儲存體--儲存單元--儲存元件** - **儲存單元：**存放一串二進位制程式碼 - **儲存字：**儲存單元中二進位制程式碼的組合 - **儲存字長：**儲存單元中二進位制程式碼的位數 - **按地址訪問：**每個儲存單元賦予一個地址號 - **MAR：**儲存器、地址暫存器，反映儲存單元的個數 - **MDR：**儲存器、資料暫存器，反映儲存字長 - **分類：** - **主儲存器(記憶體)：**計算機各種資訊的儲存和交流中心，當前正在計算機上執行的程式和資料是存放在主儲存器中的 - **輔助儲存器** - **中央處理器(CPU)：** - **組成：** - **運算器(ALU)**： - **作用：**是對資訊或資料進行處理和運算的部件 - 重要部件部件：算術及邏輯運算部件(ALU) - **算術運算：**按照算術規則進行的運算，例如加、減、乘、除、求絕對值、求負值等 - **邏輯運算：**指非算術性質的運算，例如資料、移位、邏輯乘、邏輯加和按位加等 - 在計算機中，一些複雜的運算往往被分解成一 系列算術運 算和邏輯運算 - **控制器(CU)**： - **作用：**主要用來實現計算機本身執行過程的自動化，即實現程式的自動執行 -  ### 3.計算機硬體的主要技術指標 - **機器字長：**CPU一次能處理資料的位數與CPU中的暫存器位數有關 - **運算速度：** - **主頻** - **核數** - **吉普森法** - **CPI：**執行一條指令所需時鐘週期數 - **MIPS：**每秒執行百萬條指令 - **FLOPS：**每秒浮點運算次數 - **儲存容量：** 存放二進位制資訊的總位數 - 主存容量：儲存單元個數(1K = 210)*儲存字長、位元組數(1B = 23) - 輔存容量：位元組數 ## 三、計算機的軟體 ### 1.**定義** + 軟體是程式以及開發、使用和維護程式所需的所有文件 ### 2.計算機語言 - **機器語言：**面向機器，和計算機的硬體設計同時產生的，是一組由二進位制程式碼(0和1)組成的指令和資料 - **組合語言：** - 特點：面向機器 - 助記符：彙編程式中與機器指令一一對應的指令碼 - 執行機制：彙編程式翻譯為機器語言(二進位制程式碼)後執行 - 翻譯程式： - 編譯程式：是將人們編寫的源程式中全部語句翻譯成機器語言程式後，再執行機器語言程式 - 解釋語句：是在將源程式的 一條語句翻譯成機器語言以後立即執行它(而且不再儲存剛執行完的機器語言程式),然後再翻譯執行下一條語句 - **高階語言：面向問題** ### 3.系統軟體 - **作用：**用於實現計算機系統的管理、排程、監視和服務等功能，其目的是方便使用者，提高計算機使用效率，擴充系統的功能 - **組成：** - **語言處理程式：**彙編程式、編譯程式、解釋程式 - **服務性程式：**裝配、除錯、診斷、排錯 - **資料庫管理系統：**資料庫和資料庫管理軟體 - **網路軟體** - **作業系統：**DOS、UNIX、Windows、Linux、Kylin Linux -  - **地位：**硬體和軟體之間的一個平臺 - **作用：** - 組織計算機工作流程 - 管理和分配儲存空間 - 控制和管理外部裝置 - 提供良好的使用者介面 - **應用軟體：**使用者為解決某種應用問題而編制的一些程式 - **軟體發展特點：** - 開發週期長 - 製作成本昂貴 - 檢測軟體產品質量的特殊性 - 軟硬體供需失衡 ## 四、計算機系統的多級層次結構 ### 1.虛擬計算機 - **組成：**計算機硬體+作業系統 - **特點：**計算機組成對於應用程式設計師透明 -  -  ## 五、計算機網路基礎 ### 1.計算機網路 - **定義：**凡是地理位置不同，並具有獨立功能的多個計算機系統，通過通訊裝置和線路互相連線 起來，並配以功能完善的網路軟體，實現資源共享、資訊交換和協同工作的系統 - **分類：** - **區域網：**網內所有計算機之間的距離比較短，一般在2. 5km之內；資料傳輸率在1Mbps ~ 1000Mbps 之間。Mbps為兆位/秒 - **都會網路：** 網內計算機之間的距離可達到 10km - **廣域網：**通過通訊線路(專用線、電話線或衛星)將遠距離(甚至全世界)的計算機連線起來 ### 2.通道 通訊中傳輸資訊的通道 - **共享通道：**通道中有多個資訊源以及多個接收端經過傳輸介質連線在一起進行資訊通訊與共享 - **點對點(或端到端)連線：**兩臺進行通訊的計算機之間有一條專用的通道(非共享)連線起來 - **全雙工通道：**連線A、B裝置的通道允許A、B雙方同時向對方傳輸資訊的通道 - **單工通道：**該通道只允許裝置A或B單方向傳輸資訊(例如電視訊號)的通道 - **半雙工通道：**通訊雙方可以交替地傳送和接收資訊的通道 ### 3.網路協議 - **ISO/OSI基本參考模型：** - **用途：**將不同類塑、不同作業系統的計絆機互連起來形成計算機網路，實現資源共享需要有一個共同遵守的標準或協議 - **組成：** - 應用層：是人與網路系統的介面，其任務是向用戶提供各種服務 - 表示層、會話層、傳輸層、網路層、資料鏈路層：用來解決兩臺計算機之間傳送資料時產生的問題 - 物理層：由硬體介面(例如乙太網)實現計算機之間的資料傳送。資料以 二進位制位流或字元流的形式組成 - **實現：**以上所述功能都是由網路的軟、硬體自動完成的，使用者不必為之費心 - **TCP/ IP：** - **定義：**是網路之間進行互聯的協議(網際互聯協議) - **分類：** - IPv4地址：TCP/IP 協議規定，每臺連到Internet的主機地址長4位元組 (32位)，用點號分隔的4個十進位制數表示 - IPv6地址：長度為128位，它含有的地址數是3. 4 X 1038，能夠為所有可以想象出的網路裝置提供一個全球唯一的地址。128位地址被劃分為8個16位部分，每個部分用十六進位制表示 **參考-《計算機組成於結構》-清華大學 王