第1章 计算机系统导论

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1、第1章计算机系统导论1．1概论1．1．1计算机系统的发展简史计算机已经历了50多年的发展。在这个过程中，最重要的代表人物是英国科学家艾兰▪图灵和美籍匈牙利科学家冯▪诺依曼。艾兰▪图灵对现代计算机发展的主要贡献是建立了图灵机的理论模型，发展了可计算性理论和提出了定义机器智能的图灵(AI)测试。1936年，图灵发表了名为《论可计算的数及其在密码问题的应用》的论文。该文首次提出逻辑机（logicMachine）的通用模型。人们把该模型称为图灵机（缩写TM）。实践证明：TM不能解决的计算问题，实际计算机也不可能解决；只有TM能够解决的计算问题，实际计算机才

2、有可能解决。但对还有些问题，TM可以计算而实际计算机还不能实现的。在这个基础上发展了可计算性理论图灵机的计算能力概括了数字计算机的计算能力。TM能识别的语言属于递归可枚举集合，它能计算的问题称为部分递归函数的整数函数。图灵机对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响。直到今天，人们还在研究各种形式的图灵机。1950年10月，图灵发表了另一篇名为《计算机器与智能》的论文。指出：如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则这台机器就具有智能。人们把这一论断称为图灵测试，它奠定了人工智能的理论基础。艾兰▪图灵对计算机科学做

3、出了巨大贡献，但其生前并未得到社会的重视。在他死后，为纪念艾兰▪图灵的理论成就，美国计算机协会（ACM）专门设立了图灵奖。从1966年至今已有几十位各国一流的计算机科学家获得此项殊荣。图灵奖也就成为计算机学术界的最高成就奖。冯▪诺依曼是美籍匈牙利数学家。第二次世界大战以前，主要以算子理论、量子理论、集论以及博弈论等方面的研究闻名。战后从事研制第一台电子计算机工作，并把计算机应用于核武器设计和天气预报等方面。1944年8月到1945年6月，当时在洛斯阿拉莫斯国家试验室从事核武器研究工作的冯▪诺依曼，成为人类第一台电子计算机“ENIAC”小组的顾问，首

4、先提出在电子计算机中存储程序的概念，并在设计第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC上起到了关键作用。EDVAC是电子离散变量计算机的缩写。它使用水银延迟线主存储器，用磁鼓作辅存储器。由运算器、逻辑控制器、存储器、输入和输出五部分组成。为充分发挥电子元件的高性能，指令和数据用二进制形式存入计算机的记忆装置，让计算机能自动地执行程序。冯▪诺依曼提出的存储程序思想和计算机硬件的基本结构，确立了现代计算机的基本结构。几十年来，计算机发生了极大的变化。但从硬件体系结构看，目前所有的通用数字计算机基本采用的都是计算机经典结构——冯·诺依曼结构。该结构的特点是

5、：⑴使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作。⑵线性组织的定长存储单元。⑶存储空间的单元是直接寻址的。⑷使用机器语言，其指令是完成基本操作的简单操作。⑸对计算进行集中的顺序控制。综上可知，计算机是孕育于英国，诞生于美国，成长于全世界。根据计算机所采用物理器件的发展，一般把计算机的发展分成四个阶段（或称四代），如P2表1-1所示。1．1．2计算机系统的应用领域计算机的出现，使人类从繁重的机械脑力劳动中解放出来，使人类能集中更多的精力从事高级的创造与发明。随着计算机技术的飞速发展，计算机已广泛深入到社会生活的各个领域，并对人类社会的发展产生了巨大影响

6、。现将计算机的应用领域大体归纳概括为以下六个方面：1．科学计算又称数值计算。指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。这是计算机发明之初，且目前仍是计算机应用的一个十分重要的领域。这类问题的特点是数据量不大，而计算量和数值变化范围很大。例如，卫星轨道计算、导弹发射参数计算、天气预报、建筑结构受力分析等。科学计算主要应用在三个方面：①人工难以完成的复杂的科学运算。②对计算速度有要求的一些科学计算。③用计算机进行实验（数值模拟）。利用计算机的快速、精确的特点，可以提高科学研究和工程设计的质量，缩短研制时间，降低研制成本。2．信息处理又称数据处

7、理或非数值计算，指用计算机管理各种形式的数据资料，按不同的要求进行归纳、整理、分析和统计，向使用者提供信息存储、检索等服务。这是目前计算机应用最广泛的一个领域。其特点是处理的数据量大，但计算方法较简单，处理结果往往以表格或文件形式存储或通过输出设备输出。如今，数据处理广泛应用于办公自动化、文字处理、企业管理、事务管理、情报管理等。面对浩如烟海的各种各样的信息，用计算机进行处理，大大提高工作效率与工作质量。使人们从大量的事务性工作中解放出来。1．自动控制也称过程控制或实时控制，指用计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速对控制对象进行控制。计算

8、机加上敏感检测元件（传感器）及控制机构，可构成自动控制系统。计算机及时检测传感器的参数，迅速将参数提供给计算机进行快速处理