第2篇　技术篇

第4章　计算机系统和硬件

4.1　复习笔记

一、计算机的发展

1．计算机的创始与发展

（1）从原始计数法到机械计算机

现代计算机的先驱者是英国的数学家查尔斯·巴贝奇。1833年在微分分析机的设计方案中，天才地提出了计算工具至少必须具有5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。

（2）电子计算机时代

电子计算机时代的划分如下：

①第一代是真空电子管计算机，时间大约为1951～1958年。

②第二代是晶体管电子计算机，时间大约为1959～1963年。

③第三代是集成电路电子计算机，时间大约为1964～1979年。这一时期，计算机同时向品种多样化、机种系列化发展，计算机性能和可靠性有了极大提高。

④第四代是大规模集成电路电子计算机，时间为1979～2005。

⑤第五代是超大规模集成电路和超导电路计算机，从21世纪初开始。

2．计算机的分类及应用

（1）分类

根据用户的需求及一些技术特征，可以把计算机分成微型计算机、小型计算机和主干计算机，同样根据应用的分类可以是主计算机、网络服务器和工作站。

（2）应用

①微型计算机及其应用

a．个人计算机

微型计算机是对终端用户最重要的计算机。微型计算机可以让终端用户进行多种信息处理业务，这与微型计算机上大量、广泛、可方便使用的软件包有关。

b．移动式计算机

笔记本型、手提便携型、膝上型等移动式计算机产品。

c．网络计算机

这种计算机通过互联网或企业内联网，从中央主机或服务器下载所需软件与数据资料。

d．超级计算机

超级计算机是一台精密且功能强大的计算机，传统上用于科学与军事研究。超级计算机每秒能执行十亿或百亿个指令。

②小型计算机机及其应用

小型机在科学研究、建设系统、工程分析和工业过程监控领域颇受欢迎。小型机目前也成为部门或办公室受欢迎的共享计算机。

③主干计算机及其应用

主干计算机通常有多个处理机，以达到更快的指令处理速度，例如每秒处理指令可以超过2亿条。主干计算机的内存容量也是巨大的。大型主干机主要用于处理大型企业集团的组织信息需求。

3．计算机的发展趋势

计算机在特征和能力方面的主要发展趋势如表4-1所示，其主体是向着体积更小、速度更快、性能更强更可靠、购买与维护成本更低的方向发展。

表4-1  计算机能力和特征的主要趋势

二、计算机的运算基础

1．计算机的系统原理

（1）冯·诺依曼计算机结构的基本思想

迄今，世界上各类计算机的基本结构大多数建立在冯·诺依曼（von Neumann）计算机模型基础之上。明确提出两个极其重要的思想：存储程序和二进制。

（2）计算机系统的基本结构

①输入

计算机系统的输入设备。

②数据处理与控制

中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件。CPU中的算术逻辑单元（ALU）负责计算机的运算任务；CPU中的控制部件处理计算机的程序指令和传送方向，实现各功能部件的联系，并控制执行程序。

③输出

计算机的输出设备将计算机产生的各类电子信息转换成终端用户可以观察理解的形式，如文字、图形、声音等。

④主存储

计算机系统的存储功能由计算机的一级存储单元及二级存储单元组成。

⑤通信接口

通信接口设备已发展成计算机的一个必不可少的功能部件，实现计算机与通信网络的连接。

2．计算机中数据表示方法

（1）数值型数据的表示

位（bit）是最小的数据单位，只能存放一个二进制的“0”或“1”，字节（byte）是一组长度固定为8的二进制位的集合，一般一个字节可以存放一个字符，如图4-1所示。

图4-1  位与字节

（2）字符型数据的表示

①ASCII码

在数据处理、通信系统和外部设备与主机进行信息交换时，用得最多的是ASCII码。用7个二进制数据表示一个字符，共可以表示128种基本字符和功能符。

②BCD码

存在ASCII码与BCD码之间的转换，也存在着BCD码与二进制数之间的转换，其转换过程均由系统内部的专门程序完成，如图4-2所示。

图4-2  二进制数与十进制数在机器内的转换

③EBCDIC码

这种二进制编码以8个位元（bit）代表任何数字、英文字母和特殊符号。主要用于IBM及其他大型机上。

（3）汉字的表示

①汉字交换码（国标码）

国标码规定，每个字符由一个2字节代码串组成。每个字节的最高位恒为“0”，其余7位用于组成各种不同的码值。

②汉字机内码

在计算机内，为了实现中、西文兼容，通常将汉字国标码的最高位置1来标识机内的某个码值是代表汉字。

③汉字输入码

当采用某一种汉字输入法时，同一汉字的输入码也将随之变更。

④汉字字形码

显示／打印文字时还要用汉字字形码。因此汉字库占用的存储空间也愈大。

（4）所有文字的通用表示

Unicode是一种试图容纳全世界所有语言文字的编码方案。Unicode给每个字符提供了一个唯一的编码。

（5）音频和视频信息在计算机中的表示

无论音频信息和视频信息，在进入CPU以前都要先转换为二进制数据，才能交给CPU加工处理。当多媒体计算机运行时，上述转换对用户是完全透明的，不需要用户干预。

3．计算机运行方式

（1）计算机指令的执行

①基本格式

a．操作码

指定机器执行的操作（加法、比较、读等）。

b．一个或几个操作数

指定数据或指令在内存的存放地址，或指示将使用的I/O端口和一级存储设备的地址。

②执行阶段

a．指令周期

指令周期由从主存取指令和控制单元解释指令组成。

b．执行周期

执行周期执行经解释后的指令指定的操作。

（2）计算机指令系统

指令系统里的指令越多，计算机功能越强，实现指令操作的线路也就越复杂。所有计算机的指令系统，无论其大小繁易都具备以下几类基本指令：

①数据传送指令

这类指令主要完成各部件之间数据传送。

②算术运算指令

这类指令主要用来完成算术运算，即两数的加减乘除。

③逻辑运算指令

这类指令按逻辑代数运算规则进行逻辑运算。

④程序控制指令

这类指令控制程序的走向与结构。

⑤输入／输出指令

这类指令用于启动外部设备，实现外部设备与内存或其他外部设备之间的数据传送。

⑥其他指令

还有一些关于机器操作的指令。如停机、启动、空操作等。

（3）计算机程序的执行

当前一条指令执行完毕后，计算机将自动转入下一条指令，重复指令周期和执行周期，直到一个程序的指令全部执行完毕。通常指令是顺序执行的，并顺序存放在主存储器内。指令计数器将自动地顺序指向存在内存的下一条指令地址，以便指示下一次将执行什么指令。

三、网络计算的模式

1.C／S结构

计算机的处理工作分配给客户端与服务器端共同完成。一般的用户在客户端进行操作，通过网络与服务器端连接，并从服务器端获取资料与服务，如图4-3所示。

图4-3  主从式运算结构

2.B／S结构

B／S（browser／server）结构即浏览器／服务器结构。用户工作界面是通过www浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端（browser）实现，但是主要事务逻辑在服务器端（server）实现，形成所谓三层（3-tier）结构。

3．网格计算

网格计算（grid computing）是指综合利用分散在网络各处的大量独立的计算资源，组成一种分布式系统，共同完成某个计算任务。

4．云计算

云计算（cloud computing）是一种通过计算机网络按需提供计算资源的模式，其中计算资源包括计算能力、存储、应用和服务等。云计算的特点可以从两个方面来理解。

（1）云计算的服务提供和交付模式

所有计算处理都集中在“云”端，用户可以认为“云”端的计算能力是没有限制的，计算服务可动态伸缩，用户可以灵活购买。

（2）云计算的服务实现方式

云计算实现了计算资源的高度整合和优化利用。

四、计算机硬件

1．中央处理器

（1）运算器

运算器可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。

（2）控制器

控制器是计算机的神经中枢，它按照主频的节拍产生各种控制信息，以指挥整个计算机工作。

（3）CPU的发展

①字长

在其他指标相同的情况下，机器字长度越长，计算机运行速度越快。

②时序速度

时序速度越高机器运行速度越快。

③数据总线的宽度

数据总线是CPU与主存储器及其他器件之间的数据高速公路，决定并行传送多少位数据。

④多CPU

当前许多计算机为了扩展功能都使用了多处理机技术，取代了由单个控制单元和ALU组成的单个处理机。多CPU的特点如下：

a．辅助处理器

这种设计是采用辅助微处理器帮助主处理器执行多种功能。

b．对偶处理器

这种设计采用多CPU或多微处理器进行多道并行处理，即在同一时刻执行几条指令。

c．并行处理设计

这种设计可以使用几个指令处理器，或者成千上百个指令处理器，以网络形式组织在一起。

d．双核处理器和多核处理器

基于单个半导体的一个处理器上拥有两个或多个功能一样的处理器核心。每增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数也将相应增加。

2．存储系统

（1）计算机存储系统及发展

计算机信息系统基本上是依靠一级存储器和二级存储器设备来实现存储功能的。计算机的换代，一级存储器和二级存储器设备的发展变化如表4-2所示。

表4-2  计算机存储设备的变化

（2）主存储器

主存储器的功能主要是存放当前运行的程序及执行程序所需的资料。计算机的主存储器按其性能和用途可以分成两大类：

①随机存取存储器（RAM）

指任意时刻可以从任意存储单元读出信息，或将信息写入任意存储单元，而读写信息所需的时间与存储单元的位置无关的存储器。

②只读存储器（ROM）

只能从中读出信息，不能写入信息的存储器。ROM晶片也可以分为两种：

a．PROM

该晶片只能一次写入程序，用于固定计算或控制模式，是一种软件硬化技术。

b．EPROM

该晶片可以多次写入程序。使用于可变控制。

（3）辅助存储器

①磁介质存储

a．磁带

磁带属于顺序存取介质，因此只可以顺序存取而不可随机存取。磁带的容量大、成本低、性能稳定、可重复使用。

b．磁盘

磁盘属于随机存取介质，因此可以直接存取，存取速度相当快。同时，磁盘也具备容量大、价格低的优点。

c．光盘

光盘是相对比较新的存储介质。目前微型计算机上使用的光盘称为只读CD片，即CI>ROM。

②光存储

使用光学技术读取光盘介质上的数据，根据数据是否可以进行读写区分为：只读型光盘，可记录型光盘。

③闪存

闪存是非易失性存储器中的一种。信息在一瞬间被存储下来之后，即使除去电源，存储器中的信息依旧保留。闪存是电可擦除的，即在系统中可重新编程。

3．输入／输出设备

（1）计算机键盘与显示终端

从技术上定义，任何通过通信连接到计算机的设备都可以称为终端。最普通最大量的用户与计算机的交互方式是采用键盘输入数据，用视频向用户显示输出，并可在输入到计算机前进行编辑。

（2）点触式设备

点触式（pointing）设备是另一种发布命令、进行决策选择和响应视频提示的较好的设备。

（3）计算机笔

终端用户可以使用类似于笔一样的设备直接在视频屏幕或其他类型的表面上写字、画画。

（4）视频输入／输出

视频影像可以作为输入，也可以作为输出。

（5）打印输出

打印输出也是一种常用的可视输出。

（6）声音识别

目前声音输入和输出的数字化在技术上和经济上都已达到了应用的可行性。

（7）体感设备

体感设备是通过一系列视频音频扫描设备配合手持终端通过感知用户动作来达到输入指令的。目前还主要用于游戏领域，但未来可用于虚拟现实的各种应用。

（8）光和磁识别

①光扫描设备

光扫描设备可以读文本和图形，并能将它们转换成数字输入到计算机内。

②磁性数据输入

许多银行业的计算机系统，使用磁性墨水字符识别（MICR）技术，阅读磁性化的支票、存单。另一种磁性数据输入的技术是磁条技术。

（9）无线射频识别

RFID即无线射频识别。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。