論計算機(jī)系統(tǒng)基本功能運行解析

殷雄

摘 要 近70年來，人們使用計算機(jī)的方式發(fā)生了巨大變化。早先是多人共享一臺計算機(jī)（分時計算方式），然后是一人使用一臺計算機(jī)（個人計算方式），進(jìn)而發(fā)展到目前多人使用多臺計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)計算方式，也就是后PC時代。進(jìn)一步的發(fā)展趨勢是人們將進(jìn)入普適計算時代。

關(guān)鍵詞 計算機(jī) 智能化 基本功能

中圖分類號：G623.58 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

計算機(jī)技術(shù)的另一個重要發(fā)展方向是計算機(jī)的智能化，其著眼點是發(fā)展以知識為基礎(chǔ)的智能化處理能力，用以模擬或部分替代人的智能活動，并提供智能化的人機(jī)交互接口，使計算機(jī)具有自然的人機(jī)通信能力。普適化、智能化、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)化將是未來計算機(jī)發(fā)展的主要方向。

1計算機(jī)系統(tǒng)的基本功能和基本組成

計算機(jī)是一種能自動對數(shù)字化信息進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算的高速處理裝置。也就是說，計算機(jī)處理的對象是數(shù)字化信息，處理的手段是算術(shù)和邏輯運算，處理的方式是自動的，因此，計算機(jī)與算盤以及各類機(jī)械式計算器有本質(zhì)的差別。

通常所說的計算機(jī)系統(tǒng)，除了包含看得見的計算機(jī)硬件以外，還包括運行在計算機(jī)硬件上的軟件。

1.1計算機(jī)系統(tǒng)的基本功能

計算機(jī)系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)處理功能，還具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送等功能。

數(shù)據(jù)處理是計算機(jī)系統(tǒng)最基本的功能。計算機(jī)不僅可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本算術(shù)運算，也可以進(jìn)行與、或、非等邏輯運算；處理的數(shù)據(jù)不僅可以是日常生活中使用的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，也可以是文字、圖形、圖像、聲音、視頻等非數(shù)值化的各種多媒體信息。

數(shù)據(jù)存儲功能是計算機(jī)能采用自動工作方式的基本保證。計算機(jī)中提供的存儲器使得程序和數(shù)據(jù)能事先被存儲，并在需要時指令被取出自動執(zhí)行。計算機(jī)中有各類存儲部件。大量的文件信息需要長期存儲在計算機(jī)系統(tǒng)中，因此有能夠長期保存信息的像磁盤存儲器那樣的非易失性存儲器；正在執(zhí)行的程序和處理的數(shù)據(jù)需要存放在快速存儲器中，因此有半導(dǎo)體元器件構(gòu)成的隨機(jī)訪問存儲器等。

數(shù)據(jù)傳送（data transfer）功能是指計算機(jī)內(nèi)部的各個功能部件之間、計算機(jī)主機(jī)與外部設(shè)備之間、各個計算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的操作功能。例如，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的部件需要從存儲部件中讀取數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)；輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)需要送到存儲部件保存或送到數(shù)據(jù)處理部件進(jìn)行計算；一臺計算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要送到另一臺計算機(jī)。因此，計算機(jī)系統(tǒng)中不可避免地需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳送的功能最終是通過執(zhí)行指令來完成的，而計算機(jī)指令的執(zhí)行過程由控制器產(chǎn)生的控制信號來控制。

對照上述基本功能，計算機(jī)中需要有對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和傳送的基本功能部件以及控制這些功能部件操作的控制部件。通常把進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的部件稱為運算部件或運算器，主要的運算部件是算術(shù)邏輯部件（簡稱ALU）；把進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的部件稱為存儲部件或存儲器，主要分外存和內(nèi)存；把進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的部件稱為互連部件，主要有總線（bus）、橋接器等。

計算機(jī)系統(tǒng)具有高速、通用、準(zhǔn)確和智能等特性。計算機(jī)的主要核心部件采用高速電子元器件制造，這為計算機(jī)快速處理提供了基本保證。通用性體現(xiàn)在兩個方面：一是它所處理的信息的多樣化，可以是各種數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)；二是計算機(jī)應(yīng)用極其廣泛，只要現(xiàn)實世界中某個問題能找到相應(yīng)的算法并在有限步驟內(nèi)完成，就能編制成程序通過計算機(jī)執(zhí)行來加以解決。此外，計算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的計算和自動邏輯推理能力為計算機(jī)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和智能化提供了重要基礎(chǔ)。

計算機(jī)系統(tǒng)所完成的所有任務(wù)都是通過執(zhí)行程序所包含的指令來實現(xiàn)。計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是物理裝置的總稱，人們看到的各種芯片、板卡、外設(shè)、電纜等都是計算機(jī)硬件。軟件包括運行在硬件上的程序和數(shù)據(jù)以及相關(guān)的文檔。程序是指揮計算機(jī)如何操作的一個指令序列，數(shù)據(jù)是指令操作的對象。

1.2計算機(jī)硬件

從20世紀(jì)40年代計算機(jī)誕生以來，盡管硬件技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)也已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但絕大部分計算機(jī)的硬件基本組成仍然具有馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)的特征。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)的基本思想主要包括以下幾個方面：

（1）采用“存儲程序”工作方式。

（2）計算機(jī)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個基本部件組成。

（3）存儲器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上數(shù)據(jù)和指令沒有區(qū)別，但計算機(jī)應(yīng)能區(qū)分它們；控制器應(yīng)能自動執(zhí)行指令；運算器應(yīng)能進(jìn)行加、減、乘、除4種基本算術(shù)運算，并且也能進(jìn)行邏輯運算；操作人員可以通過輸入/輸出設(shè)備使用計算機(jī)。

（4）計算機(jī)內(nèi)部以二進(jìn)制形式表示指令和數(shù)據(jù)；每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址；由一串指令組成程序。

計算機(jī)硬件主要包括中央處理器、存儲器、外部設(shè)備和各類總線等。

中央處理器簡稱（CPU）有時簡稱為處理器，是整個計算機(jī)的核心部件，主要用于指令的執(zhí)行。CPU主要包含兩個基本部分：數(shù)據(jù)通路和控制器。數(shù)據(jù)通路主要用來執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算以及寄存器和存儲器的讀/寫控制等，其中，算術(shù)邏輯部件用來進(jìn)行基本的算術(shù)和邏輯運算，ALU中最基本的部件是加法器，所有算術(shù)運算都可以基于加法運算和邏輯運算來實現(xiàn)。控制器用來對指令進(jìn)行譯碼，生成相應(yīng)的控制信號，以控制數(shù)據(jù)通路進(jìn)行正確的操作。

存儲器分為內(nèi)存和外存。內(nèi)存包括主存儲器簡稱主存）和高速緩沖存儲器（cache）。因為早期計算機(jī)中沒有所以一般情況下并不區(qū)分內(nèi)存和主存，兩者含義相同，都是特指主存儲器。外存包括輔助存儲器和海量后備存儲器。通常把系統(tǒng)運行時直接和主存交換信息的存儲器稱為輔助存儲器，簡稱輔存，目前主要的輔助存儲器是磁盤存儲器和固態(tài)硬盤；而磁帶存儲器和光盤存儲器的容量大、速度慢，主要用于信息的備份和脫機(jī)存檔，因此它們被用作海量后備存儲器。

外部設(shè)備簡稱為外設(shè)。外部設(shè)備種類繁多，且具有不同的工作特性，因而它們在工作方式、數(shù)據(jù)格式和工作速度方面存在很大差異。此外，由于CPU、內(nèi)存等計算機(jī)主機(jī)部件采用高速元器件實現(xiàn)，使得它們和外設(shè)之間在技術(shù)特性上有很大差異，它們各有自己的時鐘和獨立的時序控制，兩者之間采用完全的異步工作方式。為此，在各個外設(shè)和主機(jī)之間必須要有相應(yīng)的邏輯部件來解決它們之間的同步與協(xié)調(diào)、工作速度的匹配和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等問題，這類邏輯部件統(tǒng)稱為I/O模塊（有些教材也稱為I/O接口）。從功能上來說，各種設(shè)備的I/O控制器或適配器都是一種I/O模塊。大型機(jī)中的I/O模塊就是擔(dān)負(fù)大量復(fù)雜的外設(shè)控制任務(wù)的通道或I/O處理器。

總線是傳輸信息的介質(zhì)，用于在部件之間傳輸信息，CPU、主存和I/O模塊通過總線互連，在CPU和I/O模塊中都內(nèi)含相應(yīng)的存儲部件，即緩存器。

CPU中包含控制器、算術(shù)邏輯部件ALU、寄存器堆也稱通用寄存器組或寄存器文件、總線接口部件等，CPU、主存儲器和I/O模塊之間通過總線交換信息，例如，處理器總線用來傳輸與CPU交換的信息，存儲器總線用來傳輸與主存儲器交換的信息，I/O總線用來傳輸與設(shè)備控制器交換的信息，不同總線之間通過I/O橋接器（I/O bridge）相連。CPU通過處理器總線、I/O橋接器等與主存儲器和I/O模塊交換信息；主存儲器通過存儲器總線、I/O橋接器與CPU和I/O模塊交換信息；I/O設(shè)備通過各自的設(shè)備控制器或適配器連到I/O總線上，例如，可以把鼠標(biāo)和鍵盤連接到USB控制器的插口上，顯示器連接到顯示適配器的插口上。在一個I/O總線上也可以設(shè)置多個I/O擴(kuò)展槽，以連接更多的外設(shè)。

計算機(jī)的硬件可以分成主機(jī)和外設(shè)兩部分，主機(jī)中的主要功能模塊是CPU、主存和各個I/O模塊。因為早期計算機(jī)的主要功能部件由一條單總線相連，這條總線被稱為系統(tǒng)總線，所以，發(fā)展為多總線后，就把連接主機(jī)中主要功能模塊的各類總線統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線。因此，多總線計算機(jī)中的處理器總線、存儲器總線和I/O總線都屬于系統(tǒng)總線。不過，Intel架構(gòu)中將連接CPU和北橋的處理器總線特指為系統(tǒng)總線，也稱為前端總線FSB。

從外部來看，普通臺式個人計算機(jī)（PC）是用各種電纜將顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)和機(jī)箱等連接而成的一個裝置。打開一臺普通臺式機(jī)的機(jī)箱后，看到的是一組電路板、芯片和連線，有主板、電源、風(fēng)扇和硬盤驅(qū)動器等。

2計算機(jī)軟件

計算機(jī)的工作由存儲在其內(nèi)部的程序控制，這是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)“存儲程序”工作方式的重要特征，因此程序或者軟件質(zhì)量的好壞將大大影響計算機(jī)性能的發(fā)揮。

軟件的發(fā)展受計算機(jī)硬件和計算機(jī)應(yīng)用的推動和制約，其發(fā)展過程大致分三個階段。

從第一臺計算機(jī)上的第一個機(jī)器代碼程序出現(xiàn)到實用的高級語言出現(xiàn)為第一階段（1946～1956年）。這時期的計算機(jī)應(yīng)用以科學(xué)計算為主，計算量較大，但輸入輸出量不大；機(jī)器以CPU為中心，存儲器較小；直接采用機(jī)器語言編程，因而程序設(shè)計與編制工作復(fù)雜、煩瑣、易出錯。這時尚未出現(xiàn)軟件一詞。

從實用的高級語言出現(xiàn)到軟件工程概念出現(xiàn)以前這段時間為第二階段（1956～1968年）。這時期除了科學(xué)計算外，還出現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)處理問題，計算量不大，但輸入輸出量較大。機(jī)器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向以存儲器為中心，出現(xiàn)了大容量存儲器，輸入輸出設(shè)備增加，軟件概念也開始出現(xiàn)。為了充分利用處理器、存儲器和輸入輸出等計算機(jī)資源，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)；為了提高編程工作效率，出現(xiàn)了高級語言；為了適應(yīng)大量的數(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)。隨著軟件規(guī)模和復(fù)雜性的不斷提高，軟件開發(fā)過程中問題越來越多，甚至出現(xiàn)了人們難以控制的局面，即所謂軟件危機(jī)。為了克服這種危機(jī)，人們研究和采用了很多技術(shù)方法，這就導(dǎo)致了“軟件工程”概念和方法的出現(xiàn)。

軟件工程出現(xiàn)以后至今一直處于第三階段。對于一些復(fù)雜的大型軟件，采用基于個人和簡單團(tuán)隊分工的傳統(tǒng)開發(fā)方式進(jìn)行開發(fā)不僅效率低、可靠性差，且很難完成，必須采用工程方法才能實現(xiàn)。為此，從20世紀(jì)60年代末開始，軟件工程技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了“計算機(jī)輔助軟件設(shè)計”、“軟件自動化”等技術(shù)方法和實驗系統(tǒng)。目前，人們除了研究改進(jìn)軟件開發(fā)技術(shù)外，還著重研究具有智能化、自動化、集成化、并行化以及自然化特征的軟件新技術(shù)。

3總結(jié)

在以后科技高速發(fā)展的時代，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，將來計算機(jī)會帶給人們更大的便利以及需求！我們應(yīng)該早日熟悉計算機(jī)的各種功能與作用！以便能夠在以后更加熟練地操作計算機(jī)，讓它成為人類進(jìn)步的見證！

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