論計算機系統基本功能運行解析

殷雄

摘 要 近70年來，人們使用計算機的方式發生了巨大變化。早先是多人共享一臺計算機（分時計算方式），然后是一人使用一臺計算機（個人計算方式），進而發展到目前多人使用多臺計算機的網絡計算方式，也就是后PC時代。進一步的發展趨勢是人們將進入普適計算時代。

關鍵詞 計算機 智能化 基本功能

中圖分類號：G623.58 文獻標識碼：A

0引言

計算機技術的另一個重要發展方向是計算機的智能化，其著眼點是發展以知識為基礎的智能化處理能力，用以模擬或部分替代人的智能活動，并提供智能化的人機交互接口，使計算機具有自然的人機通信能力。普適化、智能化、嵌入式和網絡化將是未來計算機發展的主要方向。

1計算機系統的基本功能和基本組成

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

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

1.1計算機系統的基本功能

計算機系統不僅具有數據處理功能，還具有數據存儲、數據傳送等功能。

數據處理是計算機系統最基本的功能。計算機不僅可以進行加、減、乘、除等基本算術運算，也可以進行與、或、非等邏輯運算；處理的數據不僅可以是日常生活中使用的十進制數據，也可以是文字、圖形、圖像、聲音、視頻等非數值化的各種多媒體信息。

數據存儲功能是計算機能采用自動工作方式的基本保證。計算機中提供的存儲器使得程序和數據能事先被存儲，并在需要時指令被取出自動執行。計算機中有各類存儲部件。大量的文件信息需要長期存儲在計算機系統中，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；正在執行的程序和處理的數據需要存放在快速存儲器中，因此有半導體元器件構成的隨機訪問存儲器等。

數據傳送（data transfer）功能是指計算機內部的各個功能部件之間、計算機主機與外部設備之間、各個計算機系統之間進行信息交換的操作功能。例如，進行數據處理的部件需要從存儲部件中讀取數據或寫入數據；輸入設備的數據需要送到存儲部件保存或送到數據處理部件進行計算；一臺計算機產生的數據需要送到另一臺計算機。因此，計算機系統中不可避免地需要進行數據傳送。

數據處理、數據存儲和數據傳送的功能最終是通過執行指令來完成的，而計算機指令的執行過程由控制器產生的控制信號來控制。

對照上述基本功能，計算機中需要有對數據進行處理、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。通常把進行數據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邏輯部件（簡稱ALU）；把進行數據存儲的部件稱為存儲部件或存儲器，主要分外存和內存；把進行數據傳送的部件稱為互連部件，主要有總線（bus）、橋接器等。

計算機系統具有高速、通用、準確和智能等特性。計算機的主要核心部件采用高速電子元器件制造，這為計算機快速處理提供了基本保證。通用性體現在兩個方面：一是它所處理的信息的多樣化，可以是各種數值數據和非數值數據；二是計算機應用極其廣泛，只要現實世界中某個問題能找到相應的算法并在有限步驟內完成，就能編制成程序通過計算機執行來加以解決。此外，計算機系統強大的計算和自動邏輯推理能力為計算機系統的準確性和智能化提供了重要基礎。

計算機系統所完成的所有任務都是通過執行程序所包含的指令來實現。計算機系統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、電纜等都是計算機硬件。軟件包括運行在硬件上的程序和數據以及相關的文檔。程序是指揮計算機如何操作的一個指令序列，數據是指令操作的對象。

1.2計算機硬件

從20世紀40年代計算機誕生以來，盡管硬件技術已經經歷了四個發展階段，計算機體系結構也已經取得了很大的發展，但絕大部分計算機的硬件基本組成仍然具有馮·諾依曼結構計算機的特征。馮·諾依曼結構計算機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）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五個基本部件組成。

（3）存儲器不僅能存放數據，而且也能存放指令，形式上數據和指令沒有區別，但計算機應能區分它們；控制器應能自動執行指令；運算器應能進行加、減、乘、除4種基本算術運算，并且也能進行邏輯運算；操作人員可以通過輸入/輸出設備使用計算機。

（4）計算機內部以二進制形式表示指令和數據；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，地址碼指出操作數的地址；由一串指令組成程序。

計算機硬件主要包括中央處理器、存儲器、外部設備和各類總線等。

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

存儲器分為內存和外存。內存包括主存儲器簡稱主存）和高速緩沖存儲器（cache）。因為早期計算機中沒有所以一般情況下并不區分內存和主存，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存檔，因此它們被用作海量后備存儲器。

外部設備簡稱為外設。外部設備種類繁多，且具有不同的工作特性，因而它們在工作方式、數據格式和工作速度方面存在很大差異。此外，由于CPU、內存等計算機主機部件采用高速元器件實現，使得它們和外設之間在技術特性上有很大差異，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，在各個外設和主機之間必須要有相應的邏輯部件來解決它們之間的同步與協調、工作速度的匹配和數據格式的轉換等問題，這類邏輯部件統稱為I/O模塊（有些教材也稱為I/O接口）。從功能上來說，各種設備的I/O控制器或適配器都是一種I/O模塊。大型機中的I/O模塊就是擔負大量復雜的外設控制任務的通道或I/O處理器。

總線是傳輸信息的介質，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模塊中都內含相應的存儲部件，即緩存器。

CPU中包含控制器、算術邏輯部件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設備通過各自的設備控制器或適配器連到I/O總線上，例如，可以把鼠標和鍵盤連接到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總線上也可以設置多個I/O擴展槽，以連接更多的外設。

計算機的硬件可以分成主機和外設兩部分，主機中的主要功能模塊是CPU、主存和各個I/O模塊。因為早期計算機的主要功能部件由一條單總線相連，這條總線被稱為系統總線，所以，發展為多總線后，就把連接主機中主要功能模塊的各類總線統稱為系統總線。因此，多總線計算機中的處理器總線、存儲器總線和I/O總線都屬于系統總線。不過，Intel架構中將連接CPU和北橋的處理器總線特指為系統總線，也稱為前端總線FSB。

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

2計算機軟件

計算機的工作由存儲在其內部的程序控制，這是馮·諾依曼結構計算機“存儲程序”工作方式的重要特征，因此程序或者軟件質量的好壞將大大影響計算機性能的發揮。

軟件的發展受計算機硬件和計算機應用的推動和制約，其發展過程大致分三個階段。

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

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

軟件工程出現以后至今一直處于第三階段。對于一些復雜的大型軟件，采用基于個人和簡單團隊分工的傳統開發方式進行開發不僅效率低、可靠性差，且很難完成，必須采用工程方法才能實現。為此，從20世紀60年代末開始，軟件工程技術得到了迅速的發展，出現了“計算機輔助軟件設計”、“軟件自動化”等技術方法和實驗系統。目前，人們除了研究改進軟件開發技術外，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。

3總結

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

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