計算機原理

計算機原理

從第一台計算機的問世算起,到現在才有60餘年,在人類科技史上還沒有一種科學可以與計算機的發展之快相提並論。

基本信息

計算機的發展簡史

1943——1946年美國賓夕法尼亞大學研製的電子數字積分器和計算機ENIAC(Electronic Numerical And Computer)是世界上第一台電子計算機。一般認為它是現代計算機的始祖。

計算機原理馮•諾依曼
與ENIAC計算機研製的同時,馮•諾依曼(Von Neumann)與莫爾小組合作研製EDVAC計算機,採用了存儲程式方案,其後開發的計算機都採用這種方式,稱為馮•諾依曼計算機。馮•諾依曼機具有一下特點:

(1)計算機由運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備五部分組成。
(2)採用存儲程式的方式,程式和數據放在同一個存儲器中,指令和數據一樣可以送到運算器運算,即由指令組成的程式是可以修改的。
(3)數據以二進制代碼表示。
(4)指令由操作碼地址碼組成。
(5)指令在存儲器中按執行順序存放,由指令計數器指明要執行的指令所在的單元地址,一般按順序遞增,但可按運算結果或外界條件而改變。
(6)機器以運算器為中心,輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器。

現代計算機系統結構有了很大新發展,但原則上變化不大,習慣上仍稱之為馮•諾依曼機。

根據計算機所採用的物理器件的發展,一般把電子計算機的發展分成四個階段,習慣上稱為四代。

計算機原理早期計算機

第一代:電子管計算機時代(從1946年到50年代後期),其主要特點是採用電子管作為基礎器件。代表機型IBM公司的IBM650。

第二代:電晶體計算機時代(從50年代中期到60年代後期),採用的主要器件逐步由電子管改為電晶體,縮小了體積,降低了功耗,提高了速度和可靠性,降低了價格。代表機型控制數據公司(CDC)的大型計算機系統CDC6600.

第三代:積體電路計算機時代(從60年代中期到70年代前期),計算機採用積體電路作為基本器件,功耗、體積、價格進一步下降,速度和可靠性相應的提高。代表機型IBM公司的IBM360.

第四代:大規模積體電路計算機時代(從70年代初至今),70年代初,半導體存儲器問世,迅速取代了磁芯存儲器,並不斷向大容量、高速度發展。1984年內涵2300個電晶體的Intel 4004晶片問世,開啟了現代計算機的篇章。

計算機的分類

1.大型機

大型機是反映各個時期先進計算技術的大型通用計算機,其中以IBM公司的大型機系列影響最大。60年代的IBM360系統,70年代和80年代的IBM370系統曾占領大型機的主要市場。90年代IBM推出的大型機系列為IBMS/390系列,都是大型機的代表之作。

2.巨型機

現代科學技術,尤其是國防技術的發展,需要有很高運算速度、很大存儲容量的計算機,一般大型通用計算機不能滿足要求。積體電路的進展,為製造巨型機提供了條件。微處理器的發展為陣列結構的巨型機發展帶來了希望。如古德伊爾公司為美國宇航局(NASA)研製了一台處理衛星圖像的計算機系統MPP,該機由16384個微處理器組成128*128方陣。

3.小型機

小型機規模小、結構簡單所以設計試製周期短,便於及時採用先進工藝,生產量大,硬體成本低。小型機的出現打開了再控制領域套用計算機的局面,許多大型分析儀器、測量儀器使用小型機進行數據採集、整理、分析、計算等。

計算機原理微型機
4.微型機

微型機的出現與發展,掀起計算機大普及的浪潮,利用4位微處理器Intel 4004組成的MCS-4是世界上第一台微型機,它於1971年問世。我們現在工作學習生活中用的PC就是微型機。1978年Intel成功開發了16位微處理器Intel8086。1981年32位微處理器Intel80386問世。隨著技術的不斷發展,現在已經進入64位雙核微處理器時代。

其它還有工程工作站、在線上系統和計算機網路,這些就不再贅述,有興趣的讀者可以自己搜尋資料。

這裡所說的計算機原理,主要以微型機為主,因為微型機與我們的生活關係最為密切。

計算機的主要套用

1、科學計算
2、信息管理
3、過程控制
4、計算機網路與通信
5、計算機輔助教學、設計、製造
6、儀器儀表與家電控制

計算機的主要套用
數據可分為數值數據和非數值數據兩大類。從計算機所處理數據的類型這個角度來看,計算機的套用原則上應該分成科學計算和非數值計算兩大類。後者包括信息處理、過程控制、計算機輔助設計、計算機輔助教學、人工智慧等,其套用範圍遠遠超過前者。計算機的套用已形成了一門專門的學科,它主要包括以下幾方面的內容:
1.科學計算
即純數值計算,主要是解決科學研究領域的一些複雜的數學問題,計算量大而且精度要求高。例如:氣象預報、人造衛星軌道的計算等都屬於這方面的套用。
2.過程控制
過程控制是指利用計算機對生產或其他過程中的數據及時採集,並按最佳方案實現自動化。過程控制可以提高自動化程度,減輕勞動強度、提高生產效率、降低生產成本,保證產品質量的穩定。
3.信息處理
信息處理是目前計算機套用最廣泛的領域之一。信息處理是指用計算機對各種形式的信息(如文字、圖像、聲音等)收集、存儲、加工、分析和傳送的過程。當今社會,計算機在信息處理領域的套用,對辦公自動化、管理自動化乃至社會信息化都起著積極的促進作用。
4.計算機輔助系統
1)計算機輔助設計
計算機輔助設計簡稱為CAD(ComputerAidedDesign),它是利用計算機幫助人們進行各種工程和複雜產品的設計。CAD技術不僅提高了設計質量,而且也提高了自動化程度,大大縮短了新產品的設計與試製周期,從而成為生產現代化的重要手段。
2)計算機輔助製造
計算機輔助製造簡稱為CAM(ComputerAidedManufacturing)。它是利用計算機直接控制零件的加工,實現無圖紙加工。
3)計算機輔助教學
計算機輔助教學簡稱為CAI(ComputerAssistedInstruction)。它是指利用多媒體和網路技術,使得網上教學和遠程教學得以實現。利用CAI,可將課程內容編成圖文並茂的軟體,使教學過程更加形象化。對於不同程度的學生可以自主選擇不同的教學內容和教學進度,改變了教學的單一模式。

計算機系統構成

計算機原理計算機系統構成

由上圖我們可以看出,計算機系統包含硬體系統軟體系統,硬體系統是計算機的基礎,軟體系統是計算機的上層建築。一個完整的計算機系統必須包含硬體系統和軟體系統,只有硬體系統沒有軟體系統的機器叫裸機。

一、硬體系統

硬體系統一般包括:微處理器(CPU)、記憶體儲器、輸入/輸出接口、系統匯流排、外部設備。如下圖所示:

計算機原理硬體系統

其中,各部件之間的信號傳輸要通過系統匯流排來完成。如下圖所示:

計算機原理系統匯流排
1、微處理器(CPU)

CPU是電腦系統的心臟,電腦特別是微型電腦的快速發展過程,實質上就是CPU從低級向高級、從簡單向複雜發展的過程。
CPU(Central Processing Unit)又叫中央處理器,其主要功能是進行運算和邏輯運算,內部結構大概可以分為控制單元、算術邏輯單元和存儲單元等幾個部分。按照其處理信息的字長可以分為:八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等等。

目前主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生產提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+ AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。

cpucpu

2、記憶體儲器和輔助存儲器

記憶體儲器簡單的說就是我們通常說的記憶體。輔助存儲器簡單的說就是指硬碟光碟機

3、輸入/輸出接口

IDE接口,一般用於連線硬碟和光碟機,這個接口逐漸被SATA接口所代替;SCSI接口主要是用作連線SCSI接口的硬碟;USB接口一種通用萬能插口,支持人插拔;IEEE 1394接口比USB接口提供了更高的速率,同時也支持熱插拔。AGP接口,主要
記憶體記憶體
是用來連線顯示卡,但是隨著技術的發展,逐漸被PCI-E接口所取代。

4、系統匯流排

匯流排一般有兩類:一類是連線計算機內部各模組的匯流排,如連線CPU、存儲器和I/O接口的匯流排,常用的有ISA匯流排EISA匯流排PCI匯流排等;另一類為系統之間或系統與外部設備之間連線的匯流排,常用的有EIA-RS232C串列匯流排和IEEE-488並行總線等。

計算機原理鍵盤
5、外部設備

一般包括鍵盤滑鼠顯示器印表機等。

二、軟體系統

軟體系統包括:系統軟體和套用軟體

1、系統軟體

系統軟體包括:作業系統、服務型程式、語言處理程式。

2、套用軟體

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套用軟體包括:定製套用軟體和通用套用軟體。

計算機的工作過程

可以簡單概括為輸入、處理、輸出和存儲4個過程。
輸入是指接受由輸入設備(如鍵盤)提供的信息;處理是對信息進行加工處理的過程,並按一定方式進行轉換;輸出是將處理結果在輸出設備上(如顯示器等)顯示或列印等操作;存儲是將原始數據或處理結果進行保存以便再次使用。
這4個步驟組成一個循環過程。輸入、處理、輸出和存儲並不一定按照上述的順序操作。在程式的指揮下,計算機根據需要決定採取哪一個步驟。個人計算機的工作過程是通過輸入設備(鍵盤或滑鼠等)輸入用戶的操作命令或數據,計算機的處理單元(微處理器)接受到輸入命令後,進行處理並將結果在計算機的輸出設備(顯示器或印表機等)上輸出,也可以將結果保存在計算機的存儲器(硬碟或軟碟)上。因此,計算機對於某種輸入命令所要進行的對應操作,是由事先保存在計算機中的程式決定的。

計算機原理計算機工作過程

PC(personal computer)的組成

計算機原理PC

PC一般由主機和輸入輸出設備組成。主機一般由CPU、主機板、記憶體、硬碟、顯示卡、光碟機、電源、機箱、散熱器等組成;輸入輸出設備一般包括鍵盤、滑鼠、顯示器等。這樣由主機和輸入輸出設備組成了一台裸機,只有再安裝好作業系統和套用軟體以後,才稱得上一台真正的計算機。

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