第1章計算機系統(tǒng)概論

第1章計算機系統(tǒng)概論

計算機人雌夠自動、高速解決數(shù)學(xué)問題及期問酈聊代化電

子:。一4^的計算機系雌硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成,硬

件構(gòu)成了計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計算機系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)。自

從194脾第一臺計算機ENIAC(ElectronicNumericalIntegrator

andCalculator)誕生到第五代計算機的出現(xiàn)，計算機的硬件和軟件正

朝著相互滲透、相互融合的方向發(fā)展，計算機的應(yīng)用領(lǐng)域也已經(jīng)涉及到

了各行各業(yè)，現(xiàn)代計算機的設(shè)H理念和設(shè)計技術(shù)更是日新月異。

1.1.1馮?諾依曼計算機

計算機硬件(Hardware)是指計算機系統(tǒng)使用的電子線咨和電子

元件等物理設(shè)備的蝌硬件裁成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計算機系統(tǒng)

的梭d

從ENIAC到當前最先瞬計算機都采用的是馮諾依曼體輜構(gòu)。所

以馮?諾依曼是當之無愧的賄計算機之父。

馮?諾依曼指出計算機硬件系統(tǒng)應(yīng)由運算器、控制器、存儲器、輸

入設(shè)備、輸出設(shè)備五用P分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示o躥馮

諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計算機螂具有如下特征：

程序和翻居在計算機中以二進制的方式執(zhí)行。

必黛夠記Z1程序、數(shù)據(jù)、中:解果及最終運算結(jié)果。

具有完成各種算術(shù)、邏輯運算秘陲傳送等Hl的能力。

指令由地址碑瞄。

能夠根據(jù)需彈制程序走向,并能網(wǎng)輔令控制機器的各部件協(xié)調(diào)

操作。

半個世紀以來，計算機已發(fā)展為f龐大的家族，盡管各種類型的

計算機的性稅結(jié)構(gòu)、應(yīng)解方面存在著差別，但是它們的基本組第

構(gòu)卻是相同的。現(xiàn)代計算機仍然采用的是馮諾依曼體輜構(gòu)，硬件系統(tǒng)

仍由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備構(gòu)成O

1.運算器

在計算機中，運算部HW5SP件。其短任務(wù)是完成信息的加

攻理。這些艇主要有加、減、乘、鰭算術(shù)運算和與、或、異

或、同靖邏輯遨（。運算器主要由運算邏輯單元ALU和寄存器兩部分

m,

執(zhí)行流程如圖1-2所示。圖中寄存器麗寄存器B主要保存從內(nèi)存儲器取

來的操帽數(shù),然后運算邏輯單元ALU對兩個寄存器中的翻觸行算術(shù)或

邏輯運算，并將運算結(jié)果送給寄存器A暫時存放。

數(shù)據(jù)在計算機中通常以二進制雌式存儲和運算，這是因為二mo

數(shù)的運算規(guī)為簡翦二mo數(shù)就是以2為期的即忙進

在二進制中只有。和1兩個密立的數(shù)符,而這恰好能夠與電子器件中電壓

的高低、脈沖的有無對應(yīng)起來，在電路中容易頻。

控制器是計算機的控制中心。控制器作為CPU（中央處理器）的核

心部件主要用來協(xié)調(diào)計算機的工作,完雌序信息瞰曲1澳交;的輸入

輸出。

控制器的實現(xiàn)方法有酬，即組合邏輯方法序控制方法。組

合邏輯方法的特點是以集成電路來產(chǎn)翊令執(zhí)行的微操作信號。具有程

癡行的速度快，控制單元的體積/」博優(yōu)點。近年來隨著集成電路技術(shù)

的迅速發(fā)展，組合邏輯方法得到了廣泛的應(yīng)用。

微程序控制方法相對于組合邏輯方法蝴設(shè)計過程比較蜂,但并

不像設(shè)計組合邏■制電路I陷煩瑣、不規(guī)則，而是有一定規(guī)律可循，

修改起來也方便。尤其是可編程只讀存儲器的應(yīng)用，為微程蝌制器的

設(shè)計提供了更大的靈活性和適用性,進而使犍序設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用解

越廣泛。目前已在中、小型和微型計算機中得到廣泛的應(yīng)用，只是在一

些巨型、大型計算機中，由于速度的限制不宜采用微程雕制技術(shù)O

!計算機操作的對象。程序^儲器中都是以二進制的形式

表示，每臉二進制劃分為f存儲單元。訪問存儲單元中程序與噓

必犯禽出元地址o

短體、蜘

存器、控制線解構(gòu)成，包括ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取

^8）酬。

輸入設(shè)備的夠瞬入用戶提螭原始信息，并且將其版為計算

機能識SU的信息。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標、掃描儀等。

輸出設(shè)備的喀星將計算機的果以t人們接受的或能為

其他計算機所接受的帽瀚出。常用的輸出設(shè)備有：打印機、顯斕、

繪郵圖。

mi況下，由于輸入、輸出設(shè)備種類繁多而且速度各異，因此它

們TS不是］同高速工作的主機相郵,而是窿過適配器部件與主機

相聯(lián)系，適配器的當于f器。

1.2計算機的軟件系統(tǒng)

思序計算機軟件獺語言處理序應(yīng)用軟件科學(xué)計算超處

理自動控制例欺件操作系統(tǒng)工程設(shè)計

軟件（Software）是計算機系統(tǒng)中使用的各種程序，而軟件系統(tǒng)是

摘鏢個計算機硬件輟工作雌序集合。軟修統(tǒng)所包含的內(nèi)窗障

豐富，因而對其分類也較為困難。圖18出了現(xiàn)代計算機系雌軟件

整個軟件系J能分為系球怫I應(yīng)用^｛牛兩龍&

系娥件主要功能是對整個計算機系統(tǒng)在行調(diào)度、管理、監(jiān)視及服

務(wù)等。它撕使系統(tǒng)的各種詡鼾融恰理的調(diào)度阿敏的使用，并能監(jiān)

視麴6的運行狀態(tài)，一旦出三漉自動軸現(xiàn)場信息使之不受破

壞，并診斷出故腳部位。它還可以幫助用戶調(diào)試程序、查找程序中的錯

誤等。

操作系統(tǒng)吸■期制程序的總赧可以用它控制和管理計算機的各

種資源，實現(xiàn)計算機魏施行自動化。它是系統(tǒng)軟件中最核心的組成部

分，其主要任務(wù)有兩個：T管好計算機系統(tǒng)的全部資源，使它們能充

分蟒作用、高效率的工作。在這里所提及的資源是指計算機系統(tǒng)的各

種功能部件，主要包3胭器、存、各種外設(shè)備、各種軟件。

二是為計算機系統(tǒng)和用戶之間提供接口，使用戶利用操作系駢i供的功

能去使用計算機，進而在用戶面前期的是一臺功能強、使用方便的計

算機O

一臺計算機可以配置不同類型的操作拗，常用的操作尚類型

(1)單用戶操作系統(tǒng)，用于翦F大又要覆成較廣泛做

的臉，W:MS-DOS.PC-DOS.CP/M^O

(2)多用戶操作系統(tǒng)，又稱為分時系統(tǒng)，用于多個用戶需要同時

算例如：Unix、Linux、OS/2、Windows98/2000/XP,

WindowsVista^o

操作麹5,用于需要對信息進行管理，信息共

享槐合，題：NetWare.WindowsNT^0

(4)則操作獺，用升E嚴格時間范圍內(nèi)，對外部請求做出反

應(yīng),則靠合,酶：WindowsCE、UcLinux.Rdos

等。

目前，新Ttis作系統(tǒng)WindowsVista已投入使用。Windows

VistaM蹲微軟公司開發(fā)代號為長角(LonghomjaTF一版本

MicrosoftWindow^佛統(tǒng)回名稱。它3WindowsX啷

WindowsServer2003；^09又一^^山操

新的I蟠啦米面相撕增力QT包括Window魴燦、礴^的

接、家長控制、安全中心、WindowsMovieMaker、圖片庫、反5般、

間深坎件、網(wǎng)絡(luò)映射、搜索、圖片收I峽、WindowsMediaPlayers

^j^RSS的OutlookExpress、P2PMessenge^功能。

用戶往往是艘-幫程序設(shè)計語言來編寫程序,也就是常說的源程

序。但計算機只能識別二進制信息，語翻理程序的實質(zhì)就是完成B譯

計算機各種語言的一維程序。其主要任務(wù)是對用戶使用的各種語言進行

陋，進而使計算機能完成用戶以各種語言所描述的口。在軟件分類

中，除了將語言處理程序劃分為系球件外，各曬序設(shè)計語言也弱6

:件。在計算機應(yīng)用中，程序設(shè)計語言主要包括以種類。

(1)機器語音：是T用二進制形式表示的，并且能夠直接被計算機硬件

識別礴行的語言。機器語音與計算機的邏雌構(gòu)相關(guān)，也就是說，機器語言因計

算機不同而異。利用機器語言編寫的程J炳之為機器語言程序o機器語言的缺點是:

不易書寫，可閱讀性差，出錯也不易修改。

(2)匯編語言：是T將機器語言符號化的語菖它用形氟直觀、便于

記憶的字母、符號來代他數(shù)字編碼的機器指令。足語音的語句與機器指令一~對

應(yīng)，不同的計算機具有不同的匯編語言。用匯編語言寫的程稱為匯編語言程序。

懶：Nasm.Masm、Tasm^P屬TOS語

(3)翻語言：也用與具體計算機邏輯結(jié)構(gòu)不相關(guān)的，表達

方式接近于雌述的問題的程序設(shè)計語言。高級語言程序具可書寫性和

可閱讀性強等優(yōu)點。高級語言程序在計算機并不能先行，需飄用

編囂序或解釋程序I銀翻譯成機器語言程序后再執(zhí)行。例如：Basic,

Fortran,Pascak璐言、Delphi、C++、Jav得都屬于高級語言程

序。

(4)面向?qū)ο笳Z言：是當今軟件開發(fā)的主流方法堿術(shù)。面向

對象語言具有的抽象性、封裝性、模塊性、繼承性和多態(tài)性，以及知

自頂向FD自底向上的軟件開發(fā)風(fēng)哪良好的可哪性日益被人們重

視。

并且面向?qū)ο蟮捻缫呀?jīng)滲透到了計算機科學(xué)的其他領(lǐng)域,如操作

系統(tǒng)、人工智能、碗薛、分布式計算幽行計算等領(lǐng)域，并成為這些

領(lǐng)例如：Java、C++、VisualBasic、VisualC++?

Delphi等都屬于面向?qū)ο笳Z言。

服務(wù)性程序又稱實用程序,是為系殛供各種服務(wù)性手段而設(shè)置的

其主要功能■成對用戶程廓域入、連接、編輯、/物

糾錯以及硬件故障診斷等工作o服務(wù)性程序執(zhí)行的過程和i糊功撕

下:

(2)酶際應(yīng)中，f大睇輾序懶汾睇干個

相對獨立的程序模塊，分另編譯為相應(yīng)的目標模塊，這朝立的目標模

mi?前人運行。完啥-功除程序口微雌程

序。

(4)數(shù)制觸灌序。數(shù)制轉(zhuǎn)換程序可以使用戶直接用十進軸嫌

入，由計算機自動轉(zhuǎn)所能識別的二進制數(shù)。

(DatabaseManagementSystems),l^j^DBMS,是@@

數(shù)據(jù)庫的軟件。崛庫是為適應(yīng)大型企業(yè)磷颯則信息管理的需要而在文件系

為了克服±述映點,營用f單獨的微軟件雉中管理所有

的文件，實頊數(shù)據(jù)共享，這就題據(jù)庫管理系第例如:FoxPro、

Access、Oracle、SQL

應(yīng)臃件主為用腕艇各個具體應(yīng)用領(lǐng)域中的輔助功能,它

也雌大多數(shù)用戶學(xué)習(xí)、使用計算機時最感興趣的內(nèi)容。如計算機輔助

繪解軟件AutoCAD、辦公軟件Office、圖腌像處理飲件Photoshop

網(wǎng)價颯帆磁車、迅臉。

現(xiàn)代計算機廣■個十分復(fù)雜的硬件、軟件結(jié)合的整體。計算機系統(tǒng)

的工作過程是軟硬件分層次相互配合完成的,計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如

圖1礪示的。圖中表明了計算機系統(tǒng)的硬件與軟件之間的相互關(guān)系，

同時也說明了從用戶提出限到硬件執(zhí)行的過程。

計算機系統(tǒng)的層次絹軼分為五級。第1級是微程序設(shè)計級，這是

一個實際的硬健，由硬件直敏行令。第啜題雌包R,

它由陲序解酬器指令系統(tǒng)，該級也屬于硬他。第您系統(tǒng)

級，該級采用機器語言解釋執(zhí)行，既涉及軟件窗?,也涉及硬件縫,

即減作系統(tǒng)的控制之下調(diào)用輟的硬件與軟件資源。第4級居匚編語

言級，這一級由匯編程序初群瞅行。第5級曷夠R語言級，這f由

各麗級語靜它ji0向用戶的，

之為用戶程序，這一級也屬于軟件級。

1.3計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

自194昨第子數(shù)字計算機問世以來，計算機的發(fā)展以計算

機硬件的邏輯元器件為標志，大嵋歷了電子管、晶體管、中小規(guī)鰥

成電路到大路等4個發(fā)展階段。

從194墀至195墀是電子管數(shù)字計算機時代.曲機fl曜情元件

采用電子管。主存儲器采用磁芯、磁鼓，外存采用磁帶。電子管數(shù)字計

算機主要特點是體積大、功耗大、運算速度每眇只有幾千次到幾萬次、

價格昂貴、可靠性差。程序設(shè)計主要采用機器語言和;O語言。主要應(yīng)

用于科學(xué)計跖雖然，電子管數(shù)字計算機有很多缺陷，但是它的體輜

構(gòu)躥序設(shè)計圍想為以后計算機的高速發(fā)展奠定了科學(xué)翻隊

從1957年至196偉IBM蝌1■期時代。計翱聯(lián)廝談

采用晶體管。主存儲器采用磁芯，外存儲器采用先進的磁盤。晶體管數(shù)

字計算機主蝴點是體積小、S:、耗電少、運算速度每眇達十萬次

以上、可靠世孔晶體管數(shù)字計算機的出現(xiàn)麒:件有了很大的發(fā)展，出

現(xiàn)了多種用途的操作微，以及各種各樣的高級語言，如FORTRAN、

COBOa語言。應(yīng)用以各附速主，a用

于工J11繪制。

從196得至197闡強|成電酬■算嫻代。計期I的邏斷群課

用中、小規(guī)膜成電路；用半導(dǎo)體存轆代替磁芯存儲器,采用流水線

多道程腑拼做回技和集成電路計算機主要特點是體積更小、速度

快、精度高、功豳黑計算機成本進/下降。在此期間軟件向系列化、

多樣化發(fā)展，軟修漸完善，分時操作系統(tǒng)、會溺語言夠種高級語

言已經(jīng)出現(xiàn)，出了模塊化與結(jié)構(gòu)觸序設(shè)計的居施L在發(fā)展大型

機的同時，“小型計算機”開始出現(xiàn)。計算機品種璘向多樣化、系列化

發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。

從1971年以后是大路計算機時代O計算機的

邏輯元件以大、超大規(guī)模集路為主要功能器件。大規(guī)蝴超趣模

集路計算機主要特點是速度更快、集成度更高、軟好富、有通訊

功能、切配合。在間硬飾軟件的技術(shù)日級善，計算速度

每眇千萬億次以上，計算機結(jié)構(gòu)也開始以分布敢理來組織系統(tǒng)。

同時，大型機、中型機、超小型機、計算機網(wǎng)絡(luò)、智育擬、程

等都有了新的發(fā)展。應(yīng)用開始進入尖端科學(xué)、軍事工程、空間技柳大

型事熟爨等社筋術(shù)和社會生活各個領(lǐng)域。

隨著大規(guī)賺成電路的發(fā)展，20世紀70年代計算機開始向微型化方向展.

1971^^lntei^^gid^djT^-4?ra8,麗與舊M公^^

了第一^儂計算機，開創(chuàng)了觸I計算機的新時代。

微型計算機具有體積小、重噓、功耗低、功醒、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活、

使解境要癱、價格低吟系列特點和優(yōu)品懶了廣瑜應(yīng)照0飛郵I

發(fā)展。目前，微型計算機已進入雙核心甚至多核心時代。傳統(tǒng)單核嫻器相比,

交吸怏理器力叭了5礴令執(zhí)行、智能電源管理(、智

能緩曲蜘智■梆腱及麒麟鈉體墉9。新技術(shù)的應(yīng)用使雙核兇理

從8(m忸始，日本、美甄就脂粉》行順代HI硼的嬲工

作，目前第五代計算機有以下幾個研究方向：

小知識：生物計算機一旦研制成功，其運K速度是目前傳統(tǒng)計算機根本

無法因0的，它幾十4例的運算函魁于目前朝所有計算機運管郵總和.

算機的存儲■也大得驚人。科學(xué)家采用有機a幢白質(zhì)分子L?

片代替由無機材料制作的硅芯片，其大小僅為贓所用的曉片的i■萬分之一,

而集成度卻極大地提高，如用血紅素制成的生物芯片，1平方塞米解納1。億個

門電路，斯關(guān)速度達SI1。微微秒。此外^物芯片具備的低I酬;、低僻的性

質(zhì)使他們擺脫了做半導(dǎo)體元怫熱的困擾，從而克服了長期以艇fe或電路制

作工2復(fù)雜、電路因故腳僦增化以及能量蹦大

發(fā)麗5了廣闊的前景。此外，機的元件密度比AM神經(jīng)密度獻高

100萬倍，而且其傳遞信息的速度也比人腦進行思維的速度快100萬倍。它即快

捷，又準確，可以圖成為人腦瞰限斷充部分，它以從

人體細胞吸收營養(yǎng)的方嫌補充虹，而不夠外界的任何其他能匹

⑶光子計算機_―用光作為信息載體，通過對光的蜘烷成

對礴雌算獻能。

新十計算機與前四代計算機的本質(zhì)區(qū)別是:計算機的主要功能將

從信息遮忸為知識陋，使計算機具有人類的某些智能，所以又稱

為人工智能計算機。通常認為,第五代計算機具有以下幾個方面的功能:

(D具有陋各種信息的能力。除目前計算機微塞離1嫩據(jù)外,

第五代計算機還能對聲音、文字和圖箝形式的信息進行識s收t理。

(2)具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、倒和解釋問題的能力。

(3)具有對人的自然語音的理解能力。即只建期潭或計算的問題，用自

然語言寫出要求及說明，計算機就喇皿t,按人的要求進行處理或計算，而現(xiàn)

在的計算機需要使用專門的計算機語睡蜘雌耍酷5述出來。對第五代計算

機來說，只需告訴它“做什么”，而不必告訴它“怎么做”。

總之，第五代計算機招采用多媒體技棣聲音、圖形、圖象系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)

和通訊超蛔為使計算機具有像人一樣的能聽、能看、㈱L能說、

等功能，甚至研制生產(chǎn)出具有某些“情感”、噌力”的計算機產(chǎn)品。

電鉗由電子箍信MWiBZ

傳送瞰爨,從磔現(xiàn)計算的功能。計算機的分類方法f有如下加。

一般可分為數(shù)字計算機徽i計算機。

數(shù)字計算機處理的是離散的數(shù)字■<>通常用脈沖的有無或電平的高

低表示二進制數(shù)字“1”和“0”，其不同的組合表示大〃不同的數(shù)值，只要

勒肉合的位數(shù)就可城口耘微的范麟n精度。因此，只蝦考慮設(shè)&

的代價，數(shù)字計算機腌示的數(shù)值范圍與精度幾乎沒有限制。我們通常

所說的計算機，如未概u說明，均指的字計算機，音為計算機。

徽I計算機照的信息是朝變化的徽版,如溫度、壓力、距離.

數(shù)字計算機年用途即應(yīng)用特點可分為通用計算機和專用計算機。

通用計算機就是我們通常所說的計算機O它通常根據(jù)不同的計算機

系酒號配備■貴的&限，配備多種系轆:件，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管

理獺及多種工具軟件。只要再配備相應(yīng)的應(yīng)用軟件，就可應(yīng)用于各種

通用機的特點是物迪，功能全。

專用計算機是針對某面向某種算法的計算機,這

種機器由于功能單一，結(jié)構(gòu)簡單,1I■■■?低，較甌渾事

和理贛！I等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如某一攻過能制計算機,軍

事上特定武器裝備的控制指揮儀,以及目前已廣泛應(yīng)用的嵌入式礴］■

算機專用機的系統(tǒng)I及專用軟件是專門針對其應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的，因

而對該領(lǐng)域是氟蟠。專用機若用于其他領(lǐng)域，則降極低甚至無法運

行。

所瞰模，是綜合計算機的多方面因素而言，通常涉及運算速度、

搬脖長、存1注夕陪P設(shè)備等硬件配置，以及軟件、價格等諸多方

面。因此按規(guī)模分類場也即按計算機的性蟒分類。由于計算機科

學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，這郴!橫或性能的概念也是在不I磔化的。昔日的

大型機，其性能可能趕不上現(xiàn)在的微型機。盡管如此，計算機業(yè)界仍習(xí)

慣將計算機分為巨型機大型機、中型機、小型機、微翱等幾球型。

也稱為超級計算機，它是f國家科技水平、經(jīng)濟實力和輟威力

的象征。巨型機速度最快，性能最強，技術(shù)最復(fù)雜，具有巨大的數(shù)值計

官息處麒力，是每個時代計算機翩■術(shù)隹集中慘。目前巨

型計算機一般字長6狙，酬平均執(zhí)行上百億次浮點運算,主存容,1~

4S5^Lt,速通道每眇可像鐲據(jù)幾千萬個字以上，具有

豐富的系統(tǒng)軟件。目前世界上最快速的計算機都采用大規(guī)模并行處理

MPP(MassivelyParallelProcessing)技術(shù)，每匐B代巨型機％隨

有數(shù)百至上萬個艇器。198年自行研制出了第一臺銀河巨型機

如圖1書所示o此后，我國自行研制的銀河-m型巨型機每秒運算可達

到12磔，如圖1用所示o現(xiàn)在，我國正酶制更高性能的巨型機。

算機(LangScaleComputer/Mainframe)是計算

族中通用性最S,功能也很酗計算機。長32~6狙，每睇

俄百萬到數(shù)千萬條指令，主存容■幾十萬到幾百字，有的外設(shè)

和通信接口，有很強的I/C班遵助和豐富的系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件。大

型機示例圖如圖1?7

小型計算機(Mini8mputer)是性t手、價

域十分廣泛的計算機。f字長32位，速度每眇幾十萬到幾百萬次,內(nèi)

存容?幾萬到幾十萬字，配有一5^0的外設(shè)與覆簸口，支夠種高

級語言和匯編語言編寫的程序，有功能較強的操作系統(tǒng)。

微型計算機(Mlcrosmputer)簡稱微型機或微機，是以微處

理器為中央處理器而組成的計算機系統(tǒng)O

肝算機的分類方法很多。按字長可分為的、］時、3徽、64

位'后‘注!機計酗I;觸哪式可分為m座式和殿式!計算機，前

者如臺式機(如圖所示)，后者是一種可移動的制型機，如筆記本

和掌上計算機(如圖1?9所示)。

按使用方式，一般將計算機分為工假麻服務(wù)器，這也是目前廣泛

采用的實用的分類方法。這種分類方法是以網(wǎng)繩吩布式計算環(huán)境為背

景的。

工作站(Workstation)是以個人計算環(huán)境和分布式網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境

為霸隊具有良好的性能價格比。所謂個人計算環(huán)境置S為個人使用計

算機創(chuàng)造—盡可能易學(xué)易用的工作襁，為面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的人員

提供一個具有友好人機界面的i率工作平臺。分布式網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境是

指工作站在進行信做理時，可以通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器和其他工作站或計

算機互通信息和共享資源。工作的多功能就它的高速運算功能,適

應(yīng)絨體的應(yīng)用功肯識5力能，如圖1-10所示O

服務(wù)器(Server)是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或在具有客戶/服務(wù)雌構(gòu)的分布計

粳中，為客戶的請藏供服務(wù)的結(jié)點計算機。客戶/服務(wù)器是實現(xiàn)

資艘享的TI結(jié)構(gòu)，客戶是服^器的對fe。在網(wǎng)絡(luò)和分布式計算環(huán)境

中，服務(wù)器提供大量公用的服如船§庫服務(wù)、www服務(wù)、文件服

務(wù)、打印服務(wù)等。在設(shè)計上，要求服務(wù)器具有更好的初勖凝性能、極

高的可用度、良好的安全性、很強的擴展能力，網(wǎng)編吩布式計算環(huán)境

中的工作站多充當信息中心，如圖1?11所示0

數(shù)字計算機問世以來，計算機得到高速發(fā)展的原因主要是它的普及與

應(yīng)用。如今，計算機的應(yīng)用與普及已從軍事、科研、經(jīng)濟領(lǐng)域不斷向教育、

文化、商業(yè)、貿(mào)易、以至娛樂、生活諸方面進軍，時女b均引起了巨大

的變革。在應(yīng)用實踐中，人們對計算機的功能及特性不斷提出新的要求。

正整6于這一原因，計算機技術(shù)得到了極大的發(fā)展。

目前，計算機的應(yīng)用領(lǐng)域已垓千種。按照計算機的應(yīng)用特點，計算

機的應(yīng)用可以大體上分為科學(xué)計算、疑敵腿、實時控制、計算機輔助工

程、辦公自動化、通信和智能應(yīng)用等幾大類.

科學(xué)研究和IB計算是計算機應(yīng)用最早的；o機的發(fā)明

和發(fā)展，首先是為了解決科學(xué)技術(shù)和速設(shè)計中大■的數(shù)學(xué)計算問甌

因此科學(xué)計算是計算機應(yīng)用的f霞領(lǐng)域O例如大范圍的地區(qū)氣象

礴信息，如果用人口博需要幾天的時間完成，而用計算機處理這些

信息可使有值。

目前，有效地使用蚌計算機來求輟學(xué)問題，已經(jīng)形成一^門

的學(xué)科_數(shù)值計算。許多計算領(lǐng)域的問題，如計算物理、計算力親

計算化學(xué)、計算經(jīng)濟胃均可歸結(jié)為數(shù)值計算問題。源豺算往往涉及

到!:際雜的數(shù)學(xué)公式，如求解上干階的微分方程組、大型的矩陣班等

等。

人類已進入信息化社會,各種信息浩如煙海。為認識Wi逑信息,

前展對大■的信息進行分析加工。計算機的應(yīng)用使信息處理口

起相E常快捷，蝴學(xué)國防建設(shè)、

文做育、的陶等礴的工作賣噓來更u誨松。

好數(shù)婕的主要功能，是將輸入設(shè)備穌的帆、

分類、加工、以融廝需要的信息o如企業(yè)管理、庫存管理、帳目計宜

圖^^鳴，它彳據(jù)■大，算術(shù)運算比較

簡單，有大出墀輯與判斷，陋的結(jié)果多以報::表或文件形式存儲或輸

出。

實時控制是計算機在過磅制中的重要應(yīng)用。最初的過程控制主要

應(yīng)用于韓、衛(wèi)朝Mt化a器系卿航空航天等,而現(xiàn)在已廣泛

「■A，?T-T神經(jīng)輟的功能，由于高靈敏度、

高精確度的控制，使得上述領(lǐng)觸工作能在人的意志控制卜準確無誤地

達到目的。例如由雷達和髀發(fā)射雌成的防空系統(tǒng)，地噓雌制系

統(tǒng)，自動化生產(chǎn)鰭，都需要在計算懈制下腑。

是近幾年來迅i轂展的~個+算機應(yīng)用領(lǐng)域,它包

括計算機助設(shè)計CAD(ComputerAidedDesign^計醐孀助制造

CAM(ComputerAidedManufacture廂計算學(xué)

CAI(ComputerAssistedInstruction)^^!*方面。

CAD廣泛應(yīng)用于船舶、飛機、汽車、建筑、電子等方面的設(shè)計。由

計算機輔助產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果通過圖形設(shè)備與設(shè)計人員交耳可及時對設(shè)

計做出判斷和修改，最終完成設(shè)計工作。因此，采用CAD技術(shù)，提高了

設(shè)計的自動化水平，縮短了設(shè)計周期，減輕了設(shè)計人員的勞動，也大大

提高了設(shè)計質(zhì)?。

CAM則是使用行生產(chǎn)設(shè)備的管理和生產(chǎn)過程的控制,

例如，計算機控制的全自動汽車朝生產(chǎn)線。

辦公自動化OA(OfficeAutomation雇用計算機幫助辦公室人員

陋日常工作。例如，用計算機進行文字處理，文擋管理，資料，圖象

聲音陋和網(wǎng)絡(luò)通信等。它既屬于信觸1回的范圍，又是目前計算機應(yīng)

用的一呼m立的。

蝴g通信主要是利用通信衛(wèi)星群和光導(dǎo)纖維構(gòu)成的計算機應(yīng)用網(wǎng)

絡(luò)，實現(xiàn)信息雙向交流，同時利用多!技椽大計期1的應(yīng)用范圍。

通信衛(wèi)星的覆蓋面廣，光朝維解的信息?大，保密性好，他們的優(yōu)

勢用卜,利用計算機將二者結(jié)合起來可在的范圍內(nèi)雙向傳送qS電視

圖象在內(nèi)的各種信號，把整個地球網(wǎng)絡(luò)郵起來，使人們彳里就可以

收看世界上任何T電視臺的節(jié)目，通過屏幕與遠在千里乃曲友人面

對面地通話。總之，以計算機為核心的信息高速公路的實現(xiàn)，將進一

改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

人工智能(ArtificialIntelligence,翻SI)是用計期來酬、

延伸、擴展人類的某些智力渤］,使計算機具有學(xué)習(xí)和磔能力。如今

人工智能的則與應(yīng)用已在模式識別、景物分析、自斷言的理解與生

一??：：

成、博弈、自動o?=：證明、自媚序設(shè)計、專家系統(tǒng)、跚訓(xùn)練輟、

智能決策統(tǒng)機器人等領(lǐng)域解I了重大的突蝴快速的發(fā)展，

人的研究為例，現(xiàn)已在機器人的視覺、觸覺、聲音識別等方面取得了較

大的進展，tw了趣明靈巧的新型機器人一智能機器人。

上述七種畫■匕口￡<型酸了的大多數(shù)領(lǐng)域,能包

括當今計算機的應(yīng)用范疇。隨著計算機網(wǎng)蝴術(shù)和信息高速公路的發(fā)

展，計算機的應(yīng)用幾乎滲凝I人類靛的各個領(lǐng)域，如電子商務(wù)、電子

郵件、信、通電子雌療、電子

等，人們可以進入f五猊粼&的世界，暢游信息的癬。計算

機的廣泛應(yīng)用正改變著人類的生活方式,它屣著>心髓人—

社會~信息化社會。

1.4現(xiàn)代計算機技術(shù)應(yīng)用

精揩脂令集計算機RISC(ReducedInstructionSetComputer)

是I小眥伯克利分校M的I麹等人于197地鼬的。RISCmM

^^<^］采用微程腔構(gòu)的曾令集計算機CISC(Complex

InstructionSetComputer)結(jié)構(gòu)而言的。它的出現(xiàn)是計算機體

發(fā)展史上f重要的里程碑。

傳轆JCIS嗡領(lǐng)隨著計算機的發(fā)展而引入了各種各樣的的指

令,使得指令集和為urn颯這留聆功除計算機體系結(jié)?礴來越復(fù)

雜,經(jīng)過大■的研?分析，發(fā)現(xiàn)在CIS取脂，中，各

種指令的使甩艦度相當僦。計算機在運行程序中，大概僅有20湘指

令被反復(fù)使用，使用■約占整1濯序的80%；而有80%的指令則很少使

用，其期嶼占整1濯^的20%。顏溟麗1的“二/淀律”。

復(fù)雜的指令輟必黜加硬件翊的復(fù)雜性,這不僅增加了研制時

間前M而且由于期指令需要選行復(fù)系的操作，很降現(xiàn)流水僦

行，從而影響了機器的速度。為了解決上述問題，RISC微艇器的設(shè)

申崛得到了較快的發(fā)展。說，RISC處聊比同等的CISC處

理颼快50%~75%,同時RIS改理S更容易設(shè)計和糾錯。

RISC是建承CISCM成叨技術(shù)并克服CISC的缺點的基砒上產(chǎn)生

并發(fā)展起來的。RISC的著眼點不簡單地放i化指令系統(tǒng)上，而是通

過簡化指令使計算機轆構(gòu)更管理，從而提高班速度。

例如：計翱i執(zhí)行程序所需要演r間p可用下式表示：

P=lXCPIXT

其中，I是郵語言編譯后在機器上運行的指令數(shù)，CPI為執(zhí)行每

舞令所需的平均周螂，T是每個機器周期的時間。

由于RISC指令比較簡單，原CIS的中比較復(fù)螂脂令

子程序來代替，因此RISCM耍比CISCM多20%~40%。但是RISC的

大多婁指令只用一個機器周期趣，所以CPI的曦比CISC/J僻。同

時因為RISC結(jié)構(gòu)簡單，所以完成T操作所經(jīng)過的通,使

得T值大為減少。后來，RlSCfiWI^有很大改進，TW周期平

均可完成令，甚至可達幾條指令。

RISCMiSH■要點為：

(1)選取使用頻度最高的一些簡單指令和很有用但并不復(fù)碘指

令；

(2)指令的長廣二一_定，指令格式附妙，類少;

(3)只存令訪問存儲器，蛛目令操(T都在寄存器

之間進行；

(4)采用指令流水僦作，實現(xiàn)指令并行操作;

(5)大部分指令在一個時鐘周期內(nèi)完成；

(6)CPU中通用寄存器的數(shù)目相當多；

(7)以硬布融制為主，不用或少用糜雌制，以加幡令執(zhí)

目前，RIS嗡令微照器在嵌入式計算機中懶了廣泛的應(yīng)用，

設(shè)計生產(chǎn)RISC指令微處理器的公司也越來越多，比如：英國的ARM公

司設(shè)計的ARM7、ARM9、ARM10.ARM11等彩URIS嗡令微料器;

舊淞司的PowerPC;DEC公部Alpha；HP公司的HPPA；MIPA公

司的R10000;SU*司的UltraSPARC等。

嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)，它包蹣件和軟件兩部分。硬件

包括嵌入式徽理器、存儲器及外設(shè)器件和"嗨口、圖形控制器等。

軟件部分包瞎作系統(tǒng)軟件(OS)和應(yīng)用程瞞程。應(yīng)用程序控制著

系統(tǒng)的運怖行為；硒作系雌制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作

用。

⑶可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，能擴展出滿足應(yīng)用需求的高速嵌入式

微處理器。

嵌入式計算機在應(yīng)用數(shù)■上遠遠醐了各種通用計算機,一臺通用

計算機的外部設(shè)備中就包含了若干個嵌入式觸I理器，鍵盤、鼠標軟

驅(qū)、艇、顯卡、Modem.神、聲卡、打印機、掃描儀、

數(shù)字相機、US曲啜均是由嵌入式料器控制的。在制造工業(yè)、過

朝制、通取儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消

費麗品等方面均是嵌入式計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。下面介紹幾種具體的應(yīng)

用.

所謂的移動數(shù)據(jù)庫是支持移動tt算機的噓庫,有兩層含義：-B

用戶臃動的過程中可以蝴訪可庫資源。二是用戶可以帶幃

夠動。典型的應(yīng)用場合例如：在行駛的螂庫上查詢最近的醫(yī)院《該

系統(tǒng)由前臺詢終端、后臺同步服務(wù)器組成，移雌端上有嵌入式期

操作系統(tǒng)和嵌入式需據(jù)庫。其他包括手機PDA、掌上電腦等各種移動

設(shè)備。用掌上電腦(或PDA)上網(wǎng)，人們可以隨時隨殛取信息。

智毓居網(wǎng)絡(luò)(E-Home)指在f家居中建立TSM網(wǎng)絡(luò)，為

庭網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的控制下，通過相應(yīng)的

硬件和執(zhí)行機構(gòu)，則對所有家庭網(wǎng)絡(luò)中家電和設(shè)備的控制和監(jiān)測。家

用電器將向數(shù)字化和化發(fā)展，電視機、微波爐、電話等都將嵌入計

算機并通過家制中心與Interne迪，酶為智能網(wǎng)絡(luò)家電。其網(wǎng)

絡(luò)簟的箍網(wǎng)關(guān)，家I關(guān)主雙酶制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)

的信號綜合，并具有與外界聯(lián)絡(luò)的接口，以便侑園寓贛廂信息雌。

不論是網(wǎng)關(guān)還是毓電上的控制模塊，都需要有嵌入岫作輟。這些

操作系統(tǒng)必須有內(nèi)嵌入式、實時性好、多用戶的特點。

嵌入式語音芯片基于嵌入避鼾慘統(tǒng)，采用語音識別和語音合成

語音學(xué)層次結(jié)構(gòu)^^和文本攵型級術(shù)，可以應(yīng)用朝持設(shè)備、智

除電等多的域。如果賦予這些設(shè)備人性化的交互方式和（聊」的使用

方法，也可應(yīng)用于玩具中，實現(xiàn)聲控玩息仿期物、與人對話的玩具.

也能應(yīng)用于車載通信設(shè)備實現(xiàn)人機交流0

以藍牙為代表的小范圍?納入?yún)f(xié)議與嵌入式輟的結(jié)合,必將推

動嵌入式系雌廣泛應(yīng)用。近來,基于這些協(xié)議的嵌入式產(chǎn)品層出不窮,

包括各種電話系統(tǒng)、秘公文包、各i字電子設(shè)備以及在電子商務(wù)的

應(yīng)用。這甄=品以2化和低成本的特點為它們在家幽n辦公室自動

化、電？w務(wù)、zomik智雌建種翻場合的應(yīng)用開辟了廣

闊的前景。

我國的需要完成智能化，數(shù)字化改造，智雌制設(shè)備、

智能儀表、自動控制等為嵌入趣懶供了很大的市場。而工）Ud淵、

曲、3憾K集、軍用等領(lǐng)域TSI陵蝴作系統(tǒng)相期響應(yīng)。在服

交通礴，嵌入式也在發(fā)揮著越來越重要的作用。

嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用而設(shè)計的，與通用型的最大不同就是嵌

入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體

積小、集成度高等特點，而且能夠把通用CPU中許多由板卡完成的向集成

在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，增強其移動能力。嵌

入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體

應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、

高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須堿

率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能,

這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的郵更具有競爭力嵌入式系1具

用有機地結(jié)合在T坦，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式

系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

為曲高執(zhí)行速蛹斷可靠性,嵌入式系統(tǒng)中的軟件TS都固化

在存f牖盹片或單片機本身中，而不是存貯于

嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常

能對其中的程序功能進行修改的,必須有T開發(fā)工翩環(huán)境才

能進行開發(fā)。

本章小結(jié)

本章主要講述了計算機的硬件輟和軟件系轆鹿本組

能，并從層次結(jié)構(gòu)的角度分析了計算機的層烯構(gòu)。隨后介紹了計算機

的發(fā)展歷程、應(yīng)用領(lǐng)域和現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用方向。通過本章

的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)該在函上對計算機的發(fā)展和應(yīng)用有一^認識，對計

算機的設(shè)計技術(shù)和新的發(fā)展、應(yīng)用方向有所了解，充分理解計算機總體

結(jié)敢、硬件的功能，為深入學(xué)習(xí)以后各章打下基礎(chǔ)。

第2章計算機的邏輯部件

計算機的邏輯部件

本章從邏輯代數(shù)的基枷識、邏輯門電路的構(gòu)成及特性出發(fā)，介紹

組合邏輯電路分析與設(shè)計的f方法；介紹了力叫器、譯碼器等常用芯

片的邏輯功能;介紹了加法器、譯碼器等中規(guī)模器件設(shè)計組合鰥電路.

解決實際問題的思路與方法。讀者應(yīng)深入理解基本邏輯運算、邏輯運算

規(guī)則、邏輯球的榆睫達式、傲化簡、卡諾圖化簡赳本理論;掌

握利邏輯代蜘識分析組合期電輜方法;蜘翻小規(guī)酶件設(shè)計

組合電路的TSJ圾；深入理解中規(guī)模器件在設(shè)印胎邏輯電路、解決

實際問題中的應(yīng)用。

本章要點:

數(shù)字邏輯電識

邏輯函數(shù)的化簡

加法器設(shè)計

EDA琳

2.1.1邏輯他的基本知識

邏輯例是研究邏霾電路的基本工具,:輸入邏想變蚓輸出

函數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)君i式。邏值代數(shù)又稱為開對5爾饞，是

由期數(shù)物弟?布爾(GeorgeBoole)于1泄紀中葉首播出的

用建哪邏的解方法，律進行運算

的，反映朝變量運算規(guī)律的數(shù)學(xué)，主要應(yīng)用于域器開關(guān)電路的分析

與設(shè)計上。經(jīng)切斷的施和發(fā)展后，被用于數(shù)字遭?電踴擻字系統(tǒng)

中，成為邏輻電路分析和設(shè)計的有力工M。

通常電子系軸都含有酬和數(shù)字兩種模塊。和郵i電路相睡，

在存胤分施貓輸信號時，數(shù)字電路更具優(yōu)越性。碰字電路中，常

用二mo數(shù)來量化i化的幽信號，而二蝴數(shù)I的是用數(shù)字1和0

來耘謝。這B的o和壞是+進制數(shù)^的數(shù)字,邏輯(麻礴1不的^

值大小，僅表示相互矛盾、相互對立的兩種邏輯觸，這幽何借助復(fù)

雜皎數(shù)字系觸實現(xiàn)信號的存儲、分析和儲I。

2.邏輯電平

與普通代數(shù)相似之處在于它俏是用字母耘液*,用f3叵員描

述事物間的關(guān)系。但不同的是，期代做是撒醋觀事物間的邏輯關(guān)系,

邏輯函數(shù)雌式中的邏觸邱取值和邏輯畫劃幅限有兩個值，即。和1,稱

在電路上，可用電子器件的開關(guān)恃性核現(xiàn)，由此形成離散信號電壓藏

字電壓，這蹴字電壓通常用斷電平來表示》應(yīng)當注意，邏輯電平不是物理

■,而是■fl?相對謝。在正邏輯體系中，用1來表示高電平，用竦赫

低電平。在負邏輾體系中，用0來表示高電平，用1來表示低電平(本書采用正

邏輯).蝴高電平和雌3吟為蝴電平。

2.1.2常見的門電路

1.與口

央際的兩輸入端與門如表2?1所示，邏輯符號如圖2?1所示o

從與門的邏輯關(guān)系上可以看出，如果輸入端A作為控制端，則儂)值將

會決定輸入端B的值是否能被輸出到端口丫。

(a)國外符號(b)酶相

圖2?1臃鴻與門邏輯符號

2.或門

M-示的兩輸門如表2士所示，邏輯符號如圖2出所示o

圖2?2兩輸入端或門邏輯符號

(a)國外符號(b)國標符號

3.非門

非門可以用反相器電路實現(xiàn)，因gE門又稱為“反相器”。真