计算机系统概述现代人都知道，计算机由硬件系统和软件系统组成，但是不了解计算机的产生和设计原理，很难真正理解计算机的结构。

从刀耕火种到坐在计算机前冲浪，人类经历了漫长的探索，在这种艰辛且充满惊喜的探索中计算机一步步向我们的理想逼近。

第一节计算机的创始及结构一、从原始计数法到机械计算机在远古时代，人类首先从自身找到了最原始的计数工具——手，用手指来计数。

为了能表达比10个手指更多的数目，古代人们想出第二种计数工具——石子。

石子、贝壳、绳结、木棒不但作为统计财产、人数、猎物的工具，还能保留下统计的结果，这是现代计算机原理中存储思想的最初萌芽。

大约1000多年前，东方文明古国——中国开始使用算盘，这是世界上最古老的、流传最广的计算工具。

古代算盘是用小棒（或石子、金属块等）排放在不同位置上，表示不同的位权，并按此进位与借位。

可见，那时已经有了进位计数的概念。

1642年，19岁的法国数学家布莱斯·帕斯卡（Blaise Pascal）发明了装有手转圆轮的机械加法器。

帕氏加法器里，一个圆轮代表一位数。

轮上分为10个相等部分，刻有0～9十个数字。

做加法时，顺时针转动圆轮，当转到0刻度，便自动将高位圆轮带进一格。

巴氏加法器用纯粹机械运动代替人们的思考和记录，表示人类开始向自动计算工具的迈进。

为了纪念他，程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。

现代计算机的先驱者是英国的数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）（1792一1871）。

1833年在他的微分分析机（differential analyzer）的设计方案中，他天才地提出了计算工具至少必须具有五个独立的部分：①输入部分送入需要处理的问题和信息.；②存储库保存信息，以便机器使用；③运算室能进行各种实际的运算；④控制器指挥机器按顺序工作；⑤输出部分送出问题处理的结果。

这台机器仍属于机械计算机，但是他的思想在当时确实太先进了，直至100多年后才开发了电子计算机。

巴贝奇的许多观点被一位女伯爵、著名的女诗人Augusta AdaByron记载下来，并深入分析。

她可以算是世界上第一个计算机程序设计员，程序设计语言Ada则因她的荣耀而命名。

二、电子计算机的诞生聪明的人脑可以记忆、可以计算、可以判断，但是成功地描述、模拟乃至制造出大脑功能类似的机器是在电子计算机出现以后的事。

20世纪30年代后期，数学家图灵﹙A．M．Turing﹚的研究为我们揭示了人脑计算的本质，开启了机器脑时代的大门。

图灵的研究是从计算一个数的一般过程入手的，根据图灵的研究，直观地说，所谓计算就是计算者﹙人或机器﹚对一条两端可无限延长的纸带上的一串0和1执行指令，一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。

图灵用形式化方法成功表述可计算这一过程的本质，奠定了计算科学的理论基础。

1946年2月14日，世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。

该机是使用电子线路来执行算术和逻辑运算以及信息存储的真正工作的计算机器，它的成功研制显示了电子线路的巨大优越性。

在图灵等人工作的影响下，1946年6月，美国杰出的数学家冯·诺依曼及其同事完成了关于《电子计算装置逻辑结构设计》的研究报告，具体介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想，给出了由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5类部件组成的，被称为冯·诺依曼型计算机﹙或存储程序式计算机﹚的组织结构，以及实现它们的方法，为现代计算机的研制奠定了基础，至尽为止，大多数计算机采用的仍然是冯·诺依曼型计算机的组织结构，只是作了一些改进而已。

因此，冯·诺依曼被人们誉为“计算机器之父”。

世界上第一台电子计算机的诞生标志着人对大脑的模拟进入了一个新的崭新阶段。

这台可操作的电子数字计算机称为ENIAC（electronic numerlcJ Integrator and calculator），由美国宾夕法尼亚大学的John Mauchly和J. P.Eckert发明。

ENIAC是个庞然大物，它占地170平方米，重量超过30吨，并使用了多于18000个电真空管，耗资40万美元。

图1三、计算机系统结构半个多世纪以来，计算机已发展成为由巨型机、大型机、小型机、微型机等组成的一个庞大的计算机家族，尽管每个成员在规模、性能、结构以及应用等方面存在着很大差别，但是它们的基本组成结构是相同的。

（一）计算机系统的组成任何机器的功能决定了它的组成，从工作原理探究机器的组成就像踏着设计者的足迹前行一样。

谈到计算机系统的组成首先要看看冯氏计算机系统的基本原理是什么，本质的来说冯氏计算机系统的工作原理就是：取指令，执行指令循环往复。

如图2所示。

图2 冯氏计算机系统基本原理计算机不断地取得指令，并遵照指令完成某项工作，这项工作和人完成一道简单的算术题没有什么两样，比如计算()312+⨯第一步，“()31+”：从纸上读（取）数据1和3， 取数据从纸上读（取）指令“+”， 取指令大脑进行“加”操作， 执行指令第二步，第一步的结果⨯2从纸上读（取）数据2， 取数据从纸上读（取）指令“×”， 取指令大脑进行“乘”操作， 执行指令要完成以上的操作就需要以下部件：1 能存储数据和指令的部件，冯氏计算机系统中把这个部件叫存储器。

2 执行运算指令的部件，冯氏计算机系统中把这个部件叫运算器。

3 决定何时取指令，何时执行指令的部件，冯氏计算机系统中把这个部件叫控制器。

由此，我们得到了冯氏计算机的最基本组成：存储器、运算器、控制器。

如图3所示。

执行指令图3 计算机基本组成进一步研究就会发现，需要通过一定部件将处理的事务序列存储到存储器里，并要用一定部件显示输出结果信息，所以计算机应该有输入、输出设备。

这样，一个完整的冯.诺依曼计算机的基本构架凸显：计算机应由运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备组成，如图4所示。

（二）各部件的定义及功能1 控制器图 4 计算机基本结构运算器也称算术逻辑单元(ALU)。

其功能是进行算术运算和逻辑运算。

算术运算是指加、减、乘、除运算;逻辑运算是指逻辑“与”、逻辑“或”、逻辑“非”、“异或”、移位和比较等运算。

2 控制器控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。

控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析结果向计算机其他部分发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。

因此，计算机自动工作的过程，就是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要部件。

通常把控制器与运算器合称为中央处理器(CPU)。

工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即CPU芯片。

它是计算机的核心部件。

其性能主要是工作速度和计算精度，CPU对机器的整体性能有全面的影响。

3 存储器存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，存储器分为内部存储器(简称内存或主存)和外部存储器(简称外存)。

内存一般由半导体器件构成。

外存也可以作为输人、输出设备。

内存可以直接与CPU进行交流，但外存不能。

4 输入设备输人设备用来接收用户输人的原始数据和程序，并将各种形式的输人信息(如数字、文字、图像)转换为二进制形式的“编码”。

常用的输人设备有键盘、鼠标器、扫描仪、光笔等。

5 输出设备输出设备用于将计算机的处理结果转变为人或其他设备所能接收和识别的信息形式，即文字、数字、图形、声音、电压等。

常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（三）微机的结构微型计算机的设计目标主要是考虑如何以较低造价实现硬件组成系统，并具有较强的功能。

而实现此目标的关键是如何进行数据信息的传送。

为了克服数据信息在计算机各部件间直接进行传送而造成的数据通路复杂、零乱、控制困难、扩展性差等缺点，目前微型计算机的硬件系统普遍采用总线结构，如图1-12所示。

1 总线(BUS )微型计算机中的各个部件，包括CPU、内存储器、外存储器和输入、输出设备的接口之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路称为总线。

根据总线传送信息的类别，可以把总线分为数据总线、地址总线和控制总线。

1)数据总线数据总线(DB)用于传送数据和程序。

数据总线的宽度(即传输线根数)决定了通过它一次所能传送的二进制位数。

显然，数据总线越宽则每次传送的位数越多。

因而，数据总线的宽度反映了CPU一次可似接收数据的能力。

例如，8位CPU芯片的数据总线为8位，表示CPU一次可以同时接收8位的数据信息。

2)地址总线地址总线(AB)用于传送存储单元或者输人输出接口的地址信息。

地址总线的根数一般反映了计算机系统的最大内存容量。

不同的CPU芯片，地址总线的数量不同。

例如，16位的地址总线可以寻址内存单元数为2'6 = 65 536，即内存容量最大为64 kBo又如8088 CPU芯片有20根地址总线，可以寻址最大内存容量为户=1 MB。

3)控制总线控制总线(CB)用于传送控制器的各种控制信号。

控制总线分为两类:一类是由CPU向内存或者外设发出的控制信号，另一类是由外设和有关接口向CPU送回的信号。

根据总线传送信息的方向，还可以把总线分为单向总线和双向总线。

例如，数据总线中数据的传送是双向的，即数据总线是双向总线。

随着微型计算机系统结构的不断改进，总线的传输位数和传输速度等主要技术指标也在不断发展，微型计算机系统中曾经使用或正在使用的总线标准有ISA总线、MCA总线、EI-SA总线、VESA总线、PCI总线、AGP总线、IEEE1394.总线、USB总线等。

2 I/0接口CPU和外部存储器以及输人、输出设备之间不能直接交换数据，而必须通过设备的“接口”器件转接。

CPU同外设的工作方式、工作速度、信号类型都不相同，通过接口电路的变换作用，把二者匹配起来。

接口电路中包括一些专用芯片、辅助芯片以及各种外设适配器和通信接口电路等。

不同的外设通过不同的适配器与主机相连。

按传送数据的格式，接口分为并行接口和串行接口。

如早期的鼠标器通过串行口与主机相连接，打印机通过并行口与主机相连接。

目前微型计算机的各种外设多通过USB接口与主机相连接。

USB ( Univen}al Serial Bus )称为通用串行总线，是一种连接外围设备的机外总线。

USB提供了主机箱外的即插即用连接插座，也就是通常所说的USB接口。

USB接口除了可以与键盘、鼠标器、打印机、MODEM等常见外设连接外，还可以连接移动存储器(如移动硬盘)、扫描仪、数码相机、数码摄像机等外设。