第1章 计算机系统概论 执行指令的过程中也包含对指令本身的加工。一条指令包含的信息有源地址信息、目标地址信息和操作信息。操作信息称为操作码，而源地址信息和目标地址信息统称为地址码。因此，在执行一条指令的过程中存在着对三类信息的加工，即加工操作码信息、加工地址码信息和加工数据信息。通常，通过指令寄存器、指令译码器、时序系统、微命令发生器实现对操作信息的加工，其加工结果就是微命令信号。而对操作地址的加工，可能需要读内存、寄存器，还需要使用到指令寄存器的地址码部分，甚至还可能需要使用指令的有关操作码位，然后，将相关信息通过ALU(功能较简单的计算机)加工输出，或通过专门的地址部件(功能较完善的计算机)加工输出，再把输出的地址信息存放到MAR寄存器中。指令不同，对地址信息的加工就不相同。对数据的加工是通过ALU进行的。使用加工好了的微命令，选择寄存器或内存中的数据进入ALU输入端；加工好了的相应的微命令作用于ALU；在一个时钟周期末尾，再由一个微命令将ALU输出的数据打入某一寄存器中或写进某一个内存单元。
1.6 计算机的过去、现在和未来
从字面意义上讲，计算机就是能够完成数值计算的工具。这种工具随着时代的发展而发展。就我们中国来说，从上古结绳而治，到算盘的使用，到计算尺的使用，再到今天电子计算机的使用，经历了一个漫长的过程。电子计算机可以分为模拟的和数字的两种。模拟计算机的基本元件是运算放大器。从本质上看，运算放大器是一种高增益的直流放大器。在外接反馈网络配合下，其输出与输入电压(或电流)之间，可以灵活地呈现各种函数关系，所以它具有对不同信号进行运算、处理、发生、变换和测量等多种功能。数字计算机与模拟计算机是根本不同的。它的基本元件是数字电路，用数字电路实现对二进制信息的传输、存储和加工。今天所说的计算机通常指的是电子数字计算机，又称为冯·诺依曼机。为现代计算机科学奠定了基础的最重要的代表人物是英国科学家艾兰·图灵(Alan Mathison Turing，1912—1954)和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(John von Neumann，1903—1957)。艾兰·图灵对现代计算机的主要贡献是：建立了图灵机(Turing Machine)理论模型；提出了定义机器智能的图灵测试(Turing Test)。冯·诺依曼的主要贡献在于提出并实现了现代计算机二进制存储程序的结构思想。
1.6.1 冯·诺依曼机的基本特点
一般认为，冯·诺依曼机具有以下基本特点。
? 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。
? 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送
到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 ? 数据以二进制码表示。
? 指令由操作码和地址码组成。
? 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器(即程序计数器PC)指明要执行的
指令所在的存储单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件变化。
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机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。 五十多年来，随着技术的发展和新应用领域的开拓，对冯·诺依曼机作了许多改革，使计算机系统结构有了很大变化，如某些计算机程序与数据分开存放在不同的存储器中，程序不允许修改，机器不再以运算器为中心，而是以存储器为中心，等等。虽然有以上这些突破，但原则上变化不大。
?
1.6.2 计算机发展的四个阶段
根据电子计算机所采用的物理器件不同，一般把其发展分为四个阶段，相邻两代之间时间上有重叠。
1. 第一代：电子管时代(从1946年第一台计算机ENIAC研制成功到20世纪50年代后期)
这一代计算机的主要特点是：采用电子管作为基本器件，主要应用于军事与国防尖端技术。这一时期为计算机技术的发展奠定了基础，其研究成果扩展到民用，又转为工业产品，形成了计算机工业。
20世纪50年代中期，美国IBM公司在计算机行业中崛起，1954年12月推出的IBM 650(小型机)是第一代计算机中行销最广的机器，销售量超过1000台。1958年11月问世的IBM 709(大型机)是IBM公司性能最高的最后一个电子管计算机产品。
2. 第二代：晶体管时代(从20世纪50年代中期到60年代后期)
这个时期计算机的主要器件逐渐由晶体管取代了电子管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，也降低了价格。后来又采用了磁芯存储器，使速度得到进一步提高。这一时期，不仅使计算机在军事与尖端技术上的应用范围进一步扩大，而且在气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等领域也应用起来。在这一时期，开始重视计算机产品的继承性，形成了适应一定应用范围的计算机族，这是系列化思想的萌芽，从而缩短了新机器的研制周期，降低了生产成本，实现了程序兼容，方便了新机器使用。
1960年控制数据公司(CDC)开始研制高速大型计算机系统CDC 6600，并于1964年完成，取得了巨大成功，深受美国和西欧各原子能、航空与宇航、气象研究机构和大学的欢迎，使该公司在研究和生产科学计算高速大型机方面处于领先地位。1969年1月，水平更高的超大型CDC 7600研制成功，平均速度达到每秒千万次浮点运算，成为20世纪60年代末、70年代初性能最高的计算机。
3. 第三代：集成电路时代(从20世纪60年代中期到70年代前期)
这个时期的计算机采用集成电路作为基本器件，因此功耗、体积、价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高，这就促使计算机的应用范围进一步扩大。正是由于集成电路成本的迅速下降，产生了成本低而功能不是太强的小型计算机供应市场，占领了许多数据处理的应用领域。
IBM 360系统是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机。在12
第1章 计算机系统概论 1964年宣布IBM 360系统时就有大、中、小型等6个计算机型号，平均运算速度从每秒几千次到一百万次。它的主要特点是通用化、系列化、标准化。
所谓通用化，是指指令系统丰富，兼顾科学计算、数据处理、实时控制三个方面。所谓系列化，是指IBM 360各档机器采用相同的系统结构，即在指令系统、数据格式、字符编码、中断系统、控制方式、输入/输出操作方式等方面保持一致，从而保证了程序兼容。所谓标准化，是指采用标准的输入/输出接口，因而各个机型的外围设备是通用的；存储器也是通用的；只有各个型号的CPU独立设计。
4. 第四代：大规模集成电路时代(20世纪70年代以后)
半导体存储器问世，迅速取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高速度发展。此后，存储器芯片集成度大体上每3年翻两番，价格平均每年下降30%，逻辑电路也在相应地高速发展。我们现在所使用的是第四代计算机。
可见计算机性能的提高，在物质层面上，依靠的是集成电路生产工业改进带来的半导体器件性能的提高；在技术层面上，依靠的是计算机体系结构和组成方面的创新与进步。
1.6.3 计算机分类
目前计算机可以分为通用机、巨型机、小型机、微型机和工作站几个类型或等级。 通用机是计算机工业中价值比重最大的产品，其中以IBM 370影响最大，它是在与IBM 360系统兼容的前提下进行了改进的产品。
巨型机有很高的运算速度和很大的存储容量，适用于现代科学技术，尤其是国防技术发展的需要，一般的大型通用计算机是不能满足其要求的。其中名望最高的要算Cray-1巨型机，它的向量运算速度达每秒8000万次。1983年研制成功的Cray X-MP机，其向量运算速度达每秒4亿次。同时研制成功的CDC公司的CYBER 205每秒可进行4亿次浮点运算。这些都是20世纪80年代初期水平最高的巨型机。然而这些成就依然不能满足一些复杂问题的需要，所以不少国家一直在进行性能更高的巨型机的研究工作。
小型机规模小、结构简单，所以设计试制周期短，便于及时采用先进工艺，生产量大，硬件成本低；软件比大型机简单，所以软件成本也低。再加上容易操作、容易维护和可靠性高等特点，使得管理机器和编制程序都比较简单，因而得以迅速推广，掀起了一个计算机普及应用的浪潮。DEC公司的PDP-11系列是16位小型机的代表，到20世纪70年代中期32位高档小型机开始兴起，DEC公司的VAX11/780于1978年开始生产，应用极为广泛。VAX11系列与PDP-11系列是兼容的。小型机的出现打开了在控制领域应用计算机的局面，许多大型分析仪器、测量仪器、医疗仪器使用小型计算机进行数据采集、整理、分析、计算等。应用于工业生产上的计算机除了进行上述工作外，还可进行自动控制。
微型机的出现与发展，掀起了计算机大普及的浪潮，利用4位微处理器Intel 4004组成的MCS-4是世界上第一台微型机，它于1971年问世。Intel 8086是最早开发成功的16位微处理器(1978)，以后开发的Intel 80286、Intel 80386与Intel 8086兼容。1981年后，32位微处理器相继问世，比较著名的32位微处理器有Intel 80386、Motorola 68020和68030等。Intel 80386片内集成了27.6万个晶体管，Motorola 68030片内集成了30万个晶体管。1990
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年Intel 80486和Motorola 68040推向市场，其集成度达到120万个晶体管。与原来的产品相比较，除了提高主频速度外，还将原属片外的有关电路集成到片内。32位微处理机采用过去大中型计算机中所采用的技术，因此用它构成的微型机系统的性能可达20世纪70年代大中型计算机的水平。70年代后期兴起个人计算机(一种独立微型机系统)热潮，最早出现的是Apple公司的Apple Ⅱ型微机(1977)，此后各种型号的个人计算机纷纷出现。1981年一向以生产大中型通用计算机为主的IBM公司推出了IBM PC，后来又推出了扩充性能的IBM PC/XT、IBM PC/AT以及386、486和Pentium等多种机型，由于具有设计先进、软件丰富、功能齐全、价格便宜等特点，很快成为微型机市场的主流，国内外有很多厂家相继生产了与IBM兼容的个人计算机。
工程工作站是20世纪80年代兴起的面向广大工程技术人员的计算机系统，一般具有高分辨率显示器、交互式的用户界面和功能齐全的图形软件。开始集中应用于各种工程方面的计算机辅助设计，如集成电路设计、机械设计、土木建筑设计等。1980年成立的Apollo公司和1982年成立的Sun微机系统公司主要从事工作站的研制与生产工作。开始都采用Motorola的微处理器芯片，后来改用RISC(精简指令系统计算机)微处理器。由于工程工作站出现得比较晚，一般都带有网络接口，并采用开放式系统结构，即将机器的软、硬件接口公开，以鼓励其他厂商、用户围绕工作站开发软、硬件产品。同时尽量遵守国际工业界流行的标准。
1.6.4 计算机网络
计算机技术与通信技术的结合便产生了计算机网络，这是计算机技术和通信技术发展的必然结果，因为它适应了高度社会化生产和科技发展的需要。最初是将地理位置分散的多个终端通过通信线路连接到一台中央处理机，组成以单台计算机为中心的联机系统。多个用户在自己的办公室中使用终端输入程序，通过通信线路传送到中心计算机，分时访问和使用中心计算机的资源进行信息处理，处理结果再通过通信线路回送用户终端显示或打印。这类系统实际上是一种分时多用户(终端)系统，它采用集中控制方式，中心计算机是整个系统的控制及处理中心，通常把这类系统叫做以单台计算机为中心的联机系统，或称面向终端的联机(网络)系统，是计算机网络的雏形。这类联机系统主要用于库存管理系统、银行业务系统、飞机订票系统、情报检索系统、气象观察系统等。
1969年底，美国国防部高级计划研究局(DARPA)建成了ARPANET实验室，标志着现代意义上的计算机网络的诞生。建网之初，ARPANET只有4个结点。两年后，建成15个结点，进入工作阶段。此后，ARPANET的规模不断扩大。20世纪70年代后期，它的网络结点超过60个，具有100多台主机，地理范围跨越美洲大陆，连接了美国东部和西部的许多大学和科研机构，又通过卫星与夏威夷和欧洲等地区的计算机网络相连接。现代意义上的计算机网络的主要特征是：它实现了计算机与计算机之间的通信，这样的系统被称为计算机互联网络；它将网络系统分为通信子网与资源子网两部分，网络以通信子网为中心，处于网络内层，只负责全网的通信控制，资源子网处于网络外围，向网络提供可以共享的资源；使用主机的用户，通过通信子网共享资源子网的资源。
伴随微型机的发展而飞快发展起来的网络是局域网。它以微型计算机为主要建网对象，14
第1章 计算机系统概论 可以说是专为微型计算机而设计的网络系统，大量微型机相互通信，共享外围设备、数据信息和应用程序。显然，局域网是局部某一范围的计算机网络，是专为一个公司、一家工厂、一所学校或一个部门服务的，因此它常常为某一单位所独有。
1986年，ARPANET正式分成两大部分：美国国家基金会资助的NSFNET和军方独立的国防数据网。由于美国国家基金会的支持，许多地区和院校的网络开始使用TCP/IP和NSFNET连接，Internet作为使用TCP/IP连接的各个网络总称被正式使用。
计算机和计算机网络将会继续高速向前发展，以便适应高速发展的信息化社会的需求。目前，计算机孤岛几乎已不复存在。绝大多数单位的计算机都连接在它们自己单位的局域网上，然后整个局域网通过一台服务器与Internet连接。家庭的计算机一般通过拨号或ADSL方式接入Internet。如果本地有数量比较大的多用户主机或者多台主机已经连接成一个广域网，可以采用路由器的方式把上述网络作为一个子网连接到一台已经在Internet上的主机，使整个子网上的用户都可以使用Internet。在Internet上传递的信息内容和方式可以说是五彩缤纷，促使人类社会的各个方面都在发生着革命性的变化。计算机的发展将和计算机网络的发展紧密地联系在一起；计算机的应用将和计算机网络的应用紧密地联系在一起。
1.7 习 题
一、单项选择题
1. 关于计算机系统组成的正确说法是( )。
A. 硬件系统和软件系统 B. 主机和外围设备 C. 主机箱、键盘和显示器 D. 硬件和程序 2. 关于计算机硬件系统组成的错误说法是( )。
A. 主机和外围设备 B．CPU、内存和外围设备
C. 主机箱、键盘和显示器
D. 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 3. 关于软件系统组成的正确说法是( )。
A. 程序和数据 B. 系统软件和应用软件
C. ROM中的程序和磁盘上的程序 D. 机器语言、汇编语言和高级语言 4. 磁盘属于( )。
A. 主机系统 B. 外围设备
C. 同时属于主机系统和外围设备 D. 既不属于主机系统，也不属于外围设备 5. 关于计算机系统层次结构的说法，正确的是( )。
A. 下面一层实现的功能相对复杂 B. 上面一层实现的功能相对强大 C. 使用下面一层的功能相对容易 D. 使用上面一层的功能相对困难 6. 计算机系统通过( )来扩展其功能。
A. 增加外围设备 B. 在主板扩展插槽上增加插件板
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C. 使用分辨率更高的显示器 D. 软件 7. ( )不包含在计算机体系结构研究的范围内。
A. 采用什么集成电路
B. 划分硬件子系统和软件子系统各自应实现的功能 C. 硬件和软件功能的划分 D. 确定硬件和软件的界面 8. 主机中的信息不包括( )。
A. 数据信息 B. 地址信息 C. 控制信息 D. 屏幕上显示的信息 9. 主机中的信息活动不包括( )。
A. 数据存储 B. 数据传送 C. 数据丢失 D. 数据加工 10. 主机系统中的存储部件不包括( )。
A. CPU中的寄存器 B. 内存储器 C. 外设接口中的寄存器 D. 显示卡上的存储器
11. 信息在两个直接连接的存储单元之间传送一次数据，一般需要( )。
A. 1个时钟周期 B. 2个时钟周期 C. 3个时钟周期 D. 4个时钟周期 二、填空题
1. 计算机硬件系统各部件之间，通过 而连接起来。 2. 所有外围设备必须通过 与主机相连。
3. 按信息传送的方向，数据总线属于何种类型的总线？ 。
4. 按信息传送的方向，地址总线一般应属于何种类型的总线？ 。 5. 在计算机系统的层次结构中，通常分为几层？ 。
6. 在计算机系统的层次结构中，介于硬件与软件之间的一层是 。 7. 计算机硬件的基本任务是 。
8. 从某个意义上说， 是计算机结构的逻辑实现。 9. 计算机实现的含义是 。 10. 输入设备的功能是 。 11. 输出设备的功能是 。
12. 信息被加工，是在信息 过程中进行的。 三、问答题
1. 试述计算机软、硬件在功能上的逻辑等价概念。 2. 说明硬件软化的概念和软件硬化的概念。 3. 说明固件化的概念。
4. 简述冯·诺依曼机的基本特点。
5. 说明CPU能完成对哪三类信息的加工。 16