计算机组成原理（一）

１．１　计算机的发展简史

             世界上第一台真正的全自动电子数字式计算机是１９４６年在美国宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer).这台计算机共用了１８

０００多个电子管,占地约１７０m２,总重量约为３０吨,耗电量超过１４０kw,每秒能做５０００次加减运算.ENIAC计算机虽然有许多明显的不足,它的功能也远不及现在的一台普通微型计算机,但它的诞生宣告了电子计算机时代的到来.在随后的几十年中,计算机的发展突飞猛进,经历了电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路五个阶段,计算机的体积越来越小,功能越来越强,价格越来越低,应用越来越广泛.

       第一代计算机是从第一台计算机ENIAC问世到２０世纪５０年代末.这一时期计算机的主要特征是使用电子管作为电子器件,软件还处于初始阶段,使用机器语言与汇编语言编制程序.该时代计算机是计算机发展的初级阶段,其体积比较大,运算速度比较低,存储容量不大.为了解决某一问题,所编制的程序往往很复杂.这一代计算机主要被用于科学计算.

       第二代计算机是从５０年代末到６０年代初.这一时期计算机的主要特征是使用晶体管作为电子器件,在软件方面开始使用计算机高级语言,为更多的人学习和使用计算机铺平了道路.这一代计算机的体积大大减小,具有重量轻、寿命长、耗电少、运算速度快和存储容量比较大等优点.因此,这一代计算机不仅用于科学计算,还用于数据处理和事务处理,并逐渐用于工业控制.

        第三代计算机是从２０世纪６０年代中期到２０世纪７０年代初期.这一时期计算机的主要特征是使用中、小规模集成电路(MSI,SSI)作为电子器件.在这一时期,操作系统的出现使计算机的功能越来越强,应用范围越来越广.使用中、小规模集成电路制成的计算机,其体积与功耗都进一步的减小,可靠性和运算速度等指标也得到了进一步的提高,并且为计算机的小型化、微型化提供了良好的条件.在这一时期,计算机不仅用于科学计算,还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域,出现了计算机技术与通信技术相结合的管理信息系统,可用于生产管理、交通管理和情报检索等领域.

       第四代计算机是指用大规模与超大规模集成电路(LSI,VLSI)作为电子器件制成的计算机.这一代计算机各种性能都有了大幅度的提高,应用软件也越来越丰富,应用涉及到国民经济的各个领域,已经在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手,并且进入了家庭.从１９７１年到１９９０年,作为第四代计算机重要产品的微型计算机得到了飞速的发展,对计算机的普及起到了决定性的作用.

       第五代计算机是指用甚大规模集成电路(ULSI)作为电子器件制成的计算机.１９９０后计算机进入第五代,其主要标志有两个:一个是单片集成电路规模达１００万晶体管以上;另一个是超标量技术的成熟和广泛应用.

１．２　计算机的特点

１．运算速度快

       运算速度是计算机的一个重要性能指标.计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量.运算速度快是计算机的一个突出特点.计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的最高可达每秒万亿次甚至更高.

２．计算精度高

       在科学研究和工程设计中,对计算结果的精度有很高的要求.一般的计算工具只能达到几位有效数字(如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等),而计算机对数的结果精度可达到十几位、几十位有效数字,甚至根据需要可达到任意的精度.

３．存储容量大

       计算机的存储器可以存储大量数据,这使计算机具有了“记忆”功能.目前计算机的存储容量越来越大,已高达千吉数量级的容量.计算机具有“记忆”功能,是与传统计算工具的一个重要区别.

４．具有逻辑判断功能

       计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外,还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能.这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提.

５．自动化程度高,通用性强

       由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内,工作时按程序预先规定的操作,一步一步地自动完成,一般无须人工干预,因而自动化程度高.这一特点是一般计算工具所不具备的.计算机通用性的特点,表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题,能广泛地应用于各个领域。

１．３　计算机的应用

１．科学计算

      早期的计算机主要用于科学计算.目前,科学计算仍然是计算机的一个重要应用领域.由于计算机具有很高的运算速度和运算精度,使得过去用手工无法完成的计算变为可能.随着计算机技术的发展,计算机的计算能力将越来越强,计算速度会越来越快,计算精度也会越来越高.利用计算机进行数值计算,可以节省大量时间、人力和物力.

２．过程检测与控制

      利用计算机自动地对工业生产过程中的某些信号进行检测,并把检测到的数据存入计算机,再根据需要对这些数据进行处理,这样的系统称为计算机检测系统.但一般来说,实际的工业生产过程是一个连续的过程,往往既需要用计算机进行检测,又需要用计算机进行控制.例如:在化工、电力和冶金等生产过程中,用计算机自动采集各种参数,监测并及时控制生产设备的工作状态;在导弹、卫星的发射中,用计算机随时精确地控制飞行轨道与姿态;在热处理加工中,用计算机随时检测与控制炉窑的温度;在对人有害的工作场所,用计算机来监控机器人自动工作等.特别是微处理器进入仪器仪表后所构成的智能化仪器仪表,将工业自动化推向了一个更高的水平.利用计算机进行控制,可以节省劳动力、减轻劳动强度、提高劳动生产效率,并且还可以节省生产原料、减少能源消耗、降低生产成本.

３．信息管理

       信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域.所谓信息管理,是指利用计算机来加工、管理和操作任何形式的数据资料,如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算和信息情报检索等.当今社会是一个信息化的社会,随着计算机技术、网络技术及通信技术的日益成熟并用于信息管理,为办公自动化、管理自动化和社会自动化创造了越来越有利的条件.国内外大量的机构已经建立了自己的管理信息系统(MIS);一些生产企业开始采用制造资源规划软件(MRP);商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统(EDI),即所谓无纸贸易.

４．计算机辅助系统

       计算机用于辅助设计、辅助制造和辅助教学等方面,统称为计算机辅助系统.计算机辅助设计(CAD,ComputerAidedDesign)是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计,以提高设计工作的自动化程度,节省人力和物力.用计算机进行辅助设计,不仅速度快,而且质量高.计算机辅助制造(CAM,ComputerAidedManufacturing)是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作,从而提高产品质量、降低生产成本以及缩短生产周期,并且还大大改善了工作人员的工作条件.计算机辅助教学(CAI,ComputerAidedInstruction)是指利用计算机帮助学习的系统,它将教学内容、教学方法以及学习情况等信息存储在计算机中,使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识.