计算机及其功能特点

1. 计算机是电子计算机的统称，有模拟计算机和数字计算机

1. 模拟计算机处理的是连续变化的微电信号物理量
2. 数字计算机处理的是离散的微电信号物理量

2. 计算机是一种能够按预先存入的工作程序连续自动进行信息处理的微电子设备

1. 形态特征：变换两种微电信号的物理实体
2. 功能特征：对二进制数进行加工【运算】、存储和传输
3. 工作特征：连续自动
4. 条件特征：存储程序

3. 程序：人们根据计算任务及其计算方法，采用一定方式描述的计算机的工作步骤
4. 计算机的功能特点：对二进制数进行运算【核心】、存储和传输

1. 快速性：计算机采用告诉逻辑元件，为快速处理信息奠定了物质基础
2. 通用性：采用二进制编码方法，使得计算机不仅可以处理数值数据，也可以处理非数值数据
3. 准确性：计算精度和计算方法
4. 逻辑性：逻辑判断和逻辑运算
5. 存储性：计算机拥有容量巨大的存储部件

计算机发展的历史

20世纪40年代中期到50年代后期：电子管计算机

20世纪50年代后期到60年代中期：晶体管计算机时代

20世纪60年代中期到70年代中期：集成电路计算机时代

20世纪70年代中期以后：超大规模集成电路计算机时代

20世纪80年代：微型计算机

1978——1984 16位定点微处理器阶段

1985——1992 32位奠定微处理器阶段

1993——2005 准64位浮点微处理器阶段

2005以后——64位浮点微处理器阶段

我国计算机发展

1953年 开始研究

1958年 第一台计算机103型通用电子管电子计算机

1964年 晶体管计算机

1971年 集成电路计算机

1972年——1977年 20个型号的DJS系列机

1982年 快速发展

1983年 银河I

1984年 新技术发展公司成立

1995年 曙光1000

1997年 银河III

2009年 天河一号

2013年 天河二号

未来计算机的发展

计算机发展的方向

1. 高性能化
2. 专业微型化
3. 功能综合化

未来计算机的展望

未来计算机发展有两条途径：基础元件不变体系结构改变和基础元件改变体系结构更新

1. 以集成电路为基础的计算机
2. 以新型基础元件为基础的计算机

计算机应用

1. 计算机应用的发展

1. 计算模式经历了主机计算、个体计算、分布式计算和普适计算四个阶段
2. 相应的对象也由数值数据、字符数据扩展到多媒体数据、行为数据，从而推动了计算机应用范围的不断扩大

2. 计算机应用的领域

1. 科学计算机
2. 数据处理
3. 自动控制
4. 辅助工作
5. 异域通信
6. 人工智能

计算机的工作原理

1. 计算模型是完成计算任务所必须遵循的基于形式化描述户的基本规则，对所有计算方法进行高度概括与抽象是计算模型建立的基础
2. 工作单元【计算机中的指令】之间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处理次序与数据依赖机制的数据传递与工作驱动是计算模型的基本内容
3. 数据传递是指依赖数据以来关联性，实现一个工作单元向另一个工作单元传送数据，数据传递方式有共享存储和专用存储两种
4. 工作驱动是指依据处理次序关联性，实现一个工作单元结束向另一个工作单元开始转换
5. 计算机的工作原理包含三个方面

1. 按程序中指令的排列顺序自动转换工作单元来驱动程序运行，计算机则开完车程序所描述的计算任务
2. 在启动计算机计算之前，应把根据计算任务、由人工编制的程序及其所需要原始数据存入到计算机之中，使程序和原始数据域计算机融为一体
3. 以布尔代数为基础，包含系列运算的计算任务所对应的程序采用二进制编码的指令来描述时，则可由指令来控制逻辑电路，实现对信息的处理，称为指令控制

6. 冯诺依曼机型计算机

1. 一台完整的计算机【计算机系统】包括硬件【机器】和软件【程序】两个部分，只有硬件和软件融于一提，计算机才能正常工作并发挥作用
2. 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等五大功能部件组成，运算器用于对数据进行运算，存储器用于存放程序和数据，控制器用于控制指令和处理次序及其执行，输入输出设备用于操作人员与机器进行信息交换
3. 程序是一串有序指令的集合，计算机仅能按程序中指令序列的顺序自动逐条执行指令，但可通过转移控制指令来改变程序指令的顺序执行指令
4. 指令和数据都采用二进制编码表示，且等同地预先存放在存储器中，指令一般包含操作码和地址码两部分
5. 存储器可记忆大量的二进制数，这些二进制数按位数相同且固定不变的存储单元操作，每个存储单元均有唯一对应的编号，且编号是按一维线性来编制的，即存储器是以存储单元为访问单位的一维线性空间
6. 计算机利用程序计数器来指示当前处理指令在存储器中的存储单元地址，由于程序指令序列在存储器中是连续存放的，则程序计数器通过顺序递增来实现程序指令序列的顺序，通过转移控制指令改变程序计数器中的地址来改变程序指令的顺序。

7. 现代计算机存在两个弱点

1. 不考虑指令处理资源的情况下，指令直接关联性的本质是数据依赖，而采用程序顺序驱动时，则强加一个顺序关联，使得原本可以并行处理的指令必须串行处理
2. 由于存储单元采用一维线性来组织，信息检索速度有限，难以适应非数值数据的运算和存储

8. 计算机的工作过程

1. 人工编制程序
2. 机器运行程序

冯●诺依曼计算机体系结构

1. 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有两个方面

1. 软件和硬件功能分配或软件与硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成
2. 如何最佳最合理地实现分配硬件的功能

2. 冯诺依曼体系

1. 以运算器为中心，存在数据运算与数据输入输出串行进行的弊端，即当数据输入输出时，运算器不能进行数据运算
2. 当运算器进行数据运算时，数据输入输出不能进行，从而导致功能部件的利用率低，计算机工作速度得不到有效提高

3. 以存储器为中心计算机的体系结构框架

4. 具有层次计算机的体系结构框架

5. 现代计算机的体系结构框架

计算机功能部件简介

1. 冯诺依曼体系结构的计算机分为运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备
2. 运算器是加工中心，用于信息加工，即对数据进行算数运算和逻辑运算，又称为执行部件，主要由算术逻辑运算单元、累加器和寄存器等组成

1. 算数逻辑运算单元是具体完成算数与逻辑运算的部件，是运算器的核心
2. 寄存器用于存放运算所需要的操作数，不同计算机的寄存器数量差异很大
3. 累加器是特殊的寄存器，除用于存放运算操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果，累加器也由此而得名

3. 控制器是指挥中心，用于控制计算机各部件或期间自动协调地动作，主要由控制单元、程序计数器和指令寄存器等组成

1. 控制器工作的实质是解释程序，按程序中的指令序列，逐条地从存乎其中取出指令，经过分析译码，产生一组控制信号【操作命令】，并把控制信号发给各个部件或器件，控制各部件或器件的动作，使整机连续自动、有条不紊对信息进行处理
2. 控制单元是控制信号的发源地，形成控制信号的依据为指令编码，机器状态和时序信号
3. 程序计数器用来存放当前需要处理的指令地址，一旦利用当前程序计数器内容读取了一条指令，则具有自动加1的功能
4. 指令寄存器用来存放当前处理的指令，在指令处理期间，其内容不允许改变

4. 存储器是存储中心，用来存放程序和数据，主要由存储体、逻辑控制电路、数据域地址寄存器等组成

1. 程序和数据在存储器中都以二进制形式来表示，统称为信息
2. 存储器由一定数量的存储单元组成，一个存储单元可存储若干位二进制数
3. 单元地址：每个存储单元对应一个固定不变的编号，二进制编码表示，是一一对应的关系

5. 输入输出设备

1. 输入设备是将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式的设备
2. 输出设备是将计算机运算结果的二进制信息转换成人们或其他设备能接收和识别的信息形式的设备
3. 辅助存储器是计算机中重要的I/O设备，既可以作为输入设备，也可以作为输出设备

6. 细化的现代计算机组成结构框架

计算机实现与性能分类

1. 计算机组成主要包括

1. 功能部件内部结构及其并行性
2. 附加部件或器件配置
3. 部件互连及其技术参数的匹配
4. 缓冲排队技术或可靠性技术的选择
5. 数据通路宽度的确定

2. 计算机实现：计算机组成的物理实现

1. 有模块与地板等的划分与连接
2. 功能部件的物理结构
3. 器件的物理性能
4. 专用器件的设计
5. 微组装技术
6. 制造技术与工艺

3. 计算机组成实现层次

1. 整体是由各部分分层组成实现的
2. 计算机组成可分为系统、部件、器件、元件和物理五层
3. 计算机中的部件一般有运算器、存储器、控制器、接口和总线

4. 计算机组成实现的层次

5. 冯诺依曼体系结构的计算机由五大功能部件组成，功能部件之间需要通过传输线进行互连，为信息互换奠定基础
6. 计算机功能部件之间的互连形式主要有共享总线型和专用传输线型等两种

1. 共享总线型又有单总线、双总线、多总线之分
2. 专用传输线型是指一组传输线仅能用于两个功能部件进行信息互换，该互连形式传输线繁多、互联复杂、代价高、扩展性差、但信息传输率高

7. 单总线计算机的体系结构

8. 计算机的性能一般采用一下三个指标来衡量

1. 机器字长
2. 主存容量
3. 运算速度

9. 机器字长：一次参与运算的二进制的位数，又称为基本字长，简称字长
10. 机器字：一次参与运算的二进制数称为机器字
11. 机器字长对计算机性能有三个方面的影响

1. 运算精度：字长越长，运算精度越高，反之越低
2. 数据表示范围：字长越长，数据表示范围越大，对付浮点格式，数据表示精度还可同时提高
3. 运算速度：当数据字长大于基本字长时，需多次运算，从而降低了运算速度

12. 主存容量：主存可以存储的最大的二进制位数
13. 约定8位二进制数为一个字节，则主存容量通常以字节为单位来计算
14. 在主存储器中，一个存储单元所存放的二进制位数称为存储字长，而存放的二进制数称为存储字
15. 存储单元的数量称为存储字数
16. 存储容量=存储字数*存储字长
17. 计算机的分类

1. 按用途分类：通用计算机和专用计算机

1. 通用计算机：适应多领域应用而设计的计算机
2. 专用计算机是指为适应某种特殊应用而专门设计的计算机

2. 规模性能分类：巨型计算机、大中型计算机、小型计算机、微型计算机、小巨型计算机、工作站和嵌入式计算机

1. 巨型计算机是指运算速度达每秒亿级以上浮点运算、主存储容量百万M字节以上、字长32位以上、加个及其昂贵的计算机
2. 大中型计算机是指运算速度每秒百或千万级、主存储容量百万M字节、字长32位以上、价格昂贵、指令丰富的计算机
3. 小型计算机：性能与大中型计算机接近的小型计算机，价格适中、操作简单、维护容易
4. 微型计算机：面向个人或面向家庭的，结构紧凑、性能不高的计算机
5. 小巨型计算机：巨型计算机缩小成个人计算机
6. 工作站：介于微型计算机和小型计算机，用于特殊的专业领域
7. 嵌入式计算机：作为某种设备的一个部件，面向特定应用而设计开发的专用计算机

计算机系统及其软件

1. 计算机系统及其组成

2. 计算机软件的分类

1. 系统软件：用于对计算机软硬件等资源进行管理、调度、见识和服务等的软件集合，一般分为6类，操作系统，语言处理程序，标准库程序，服务程序，数据库管理软件，网络软件

1. 操作系统：用于控制和管理计算机软硬件等资源，自动调度用户作业程序、处理各种中断程序，为用户提供友好使用界面的软件
2. 服务程序：扩展计算机硬件功能而配置的诊断程序、调试程序
3. 语言处理程序：将程序员编制的源程序翻译成计算机硬件能直接识别运行的目标程序
4. 标准库程序：为方便用户编程，预先按照标准格式编制的程序段集，用户则可以选择合适的程序段嵌入自己的程序中
5. 数据库管理软件：用户管理计算机系统中的数据文件，以实现数据共享和高效检索的软件
6. 网络软件：用于对网络资源进行组织和管理，实现相互之间的通信

2. 应用软件：用户为解决某种应用问题而编制的程序

3. 物理计算机与虚拟计算机

1. 物理计算机：实际的计算机硬件
2. 虚拟计算机：通过软件扩展硬件功能的计算机

4. 计算机系统的结构层次

5. 计算机系统的结构层次

等级	基础	描述	用户
硬件逻辑级	机器指令译码	通过控制器形成微操作控制信号序列，构建数据通路	逻辑设计者
机器语言级	指令系统	指令直接控制硬件裸机，完成用户所需要的相对简单的信息处理	机器语言程序员
操作系统级	操作系统提供的外部输入命令行	通过操作系统中一段程序进行解释，通过硬件裸机，完成操作系统规定的相对简单的信息处理	操作系统操作员
汇编语言级	汇编语言	通过编写汇编语言程序，由汇编程序进行解释，控制硬件逻辑，完成用户所需要的相对简单的信息处理	汇编语言程序员
高级语言级	高级语言	编写高级语言程序，编译软件进行解释，控制硬件裸机，完成用户所需要的相对复杂的信息处理	高级语言程序员
应用软件级	应用软件提供的外部输入命令行	通过应用软件中的一段程序进行解释，控制硬件逻辑，完成应用软件规定的极其复杂的信息处理	应用软件操作员