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,,目 錄,第1章：計算機(jī)系統(tǒng)概論 第2章：運算方法和運算器 第3章：存儲系統(tǒng) 第4章：指令系統(tǒng) 第5章：中央處理器 第6章：總線系統(tǒng) 第7章：外圍設(shè)備 第8章：輸入輸出系統(tǒng) 參考文獻(xiàn),第一章 計算機(jī)系統(tǒng)概論,1-1 計算機(jī)的發(fā)展簡史 1-2 計算機(jī)的分類和應(yīng)用 1-3 計算機(jī)的硬件和軟件 1-4 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1-1 計算機(jī)的發(fā)展簡史,電子計算機(jī)是一個統(tǒng)稱，實際上它被明確地分兩大類：“電子模擬計算機(jī)”和“電子數(shù)字計算機(jī)”。前者是使用連續(xù)變化的物理量(例如電流、電壓等)來表示數(shù)值的大小并參加機(jī)內(nèi)運算，其運算結(jié)果自然也是連續(xù)變化的物理量；后者是將運算對象數(shù)字化成為離散的數(shù)字量，用數(shù)碼進(jìn)行運算，其運算結(jié)果也是離散的數(shù)字信息，它運算速度快、運算精度高，現(xiàn)代人們所說的“電子計算機(jī)”或“計算機(jī)”，都是指“電子數(shù)字計算機(jī)”，也是本書討論的對象。,電子計算機(jī)的發(fā)展，如果從第一臺計算機(jī)的問世算起，到現(xiàn)在半個多世紀(jì)，在人類科技史上還沒有一種學(xué)科的發(fā)展速度可以與電子計算機(jī)的發(fā)展速度相提并論。 20世紀(jì)40年代，無線電技術(shù)和無線電工業(yè)的發(fā)展為電子計算機(jī)的研制準(zhǔn)備了物質(zhì)基礎(chǔ)，1943年～1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)研制的電子數(shù)字積分和計算機(jī)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)是世界上第一臺電子計算機(jī)。ENIAC計算機(jī)共用18000多個電子管，1500個繼電器，重達(dá)30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，每秒鐘能計算 5000次加法，研制人是埃克特(J．P．Eckert)和莫克利(J．W．Mauchly)。ENIAC計算機(jī)存在兩個主要缺點，一是存儲容量太小，只能存20個字長為10位的十進(jìn)制數(shù)，二是用線路連接的方法來編排程序，,因此每次解題都要依靠人工改接連線，準(zhǔn)備時間大大超過實際計算時間。 在ENIAC計算機(jī)研制的同時，馮諾依曼(Von Neumann)與莫克利、埃克特小組合作研制EDVAC計算機(jī)，在這臺計算機(jī)中確立了計算機(jī)的五個基本部件：輸入器、輸出器、運算器、存儲器、控制器。程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，并采用了二進(jìn)制，確立了存儲程序的原則?，F(xiàn)代的一般計算機(jī)被稱作馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)。 第一代： 電子管計算機(jī)時代(從1946年第一臺計算機(jī)研制成功到五十年代后期)，將電子管、繼電器和存儲器用絕緣導(dǎo)線互連在一起，由單個CPU構(gòu)成，CPU用程序計數(shù)器和累加器順序完成定點運算，采用機(jī)器語言或匯編語言，用CPU程序控制I／O。其主要特點是采用電子管作為基本器件。,,代表性系統(tǒng)有由John von Neumann，AnhurBurks和HermanGoldstine于1946年在普林斯頓大學(xué)研制成功的IAS計算機(jī)、由賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院于1950年制成的ENIAC、由IBM于1953年制造的IBM701計算機(jī)。 第二代：晶體管計算機(jī)時代(1955～1964)，采用分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印刷電路將它們互連起來。采用了變址寄存器、浮點運算、多路存儲器和I／O處理機(jī)。采用有編譯程序的高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序。這時期計算機(jī)的主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性。而且價格不斷下降。后來又采用了磁心存儲器，使速度得到進(jìn)一步提高。代表性系統(tǒng)有1959年制成的UnivacI。ARC、60年代的CDCl604和1962年制成的IBM7030。1969年1月制成的超大型計算機(jī)CDC 7600，速度達(dá)到每秒千萬次浮點運算，是這一時期設(shè)計最成功的產(chǎn)品。,第三代：集成電路計算機(jī)時代(1965—1974)，采用小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路和多層印刷電路。采用了流水線、高速緩存和并行處理機(jī)。軟件方面采用多道程序設(shè)計和分時操作系統(tǒng)。這時期的計算機(jī)采用集成電路作為基本器件，因此功耗，體積，價格等進(jìn)一步下降，而速度及可靠性相應(yīng)地提高，這就促使了計算機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。正是由于集成電路成本的迅速下降，產(chǎn)生了成本低而功能不是太強的小型計算機(jī)供應(yīng)市場，占領(lǐng)了許多數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用領(lǐng)域。代表性系統(tǒng)有IBM／360—370系列、CDC6600／7600系列、Texas儀表公司的ASC和Digital Equipment公司的PDP—8系列。IBM360系統(tǒng)是最早采用集成電路的通用計算機(jī)，也是影響最大的第三代計算機(jī)。它的主要特點是通用化，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。,通用化：指令系統(tǒng)豐富，兼顧科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、實時控制三個方面。 系列化：IBM360各檔機(jī)器采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式，字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入／輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證了程序兼容，當(dāng)用戶更新機(jī)器時原來在低檔機(jī)上編寫的程序可以不作修改就使用在高檔機(jī)上。IBM360系統(tǒng)后來陸續(xù)增加的幾種型號仍保持與前面的產(chǎn)品兼容。后來，西歐與日本的一些通用計算機(jī)也保持與IBM360系統(tǒng)兼容。蘇聯(lián)和東歐國家聯(lián)合制造的“統(tǒng)一系統(tǒng)”也是與IBM360系統(tǒng)兼容的。 標(biāo)準(zhǔn)化：采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入／輸出接口，因而各個機(jī)型的外部設(shè)備是通用的。采用積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了各個型號的CPU獨立設(shè)計以外，存儲器、外部設(shè)備都采用標(biāo)準(zhǔn)部件組裝。,第四代：大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代(1974—1991)，采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)了用共享存儲器、分布存儲器或向量硬件選擇的不同結(jié)構(gòu)的并行計算機(jī)，開發(fā)了用于并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語言和編譯器，同時產(chǎn)生了用于并行處理或分布處理的軟件工具和環(huán)境。七十年代初，半導(dǎo)體存儲器問世，迅速取代了磁心存儲器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，此后，大體上集成度每三年翻兩番(1971年每片1K位，到1984年達(dá)到每片256K位)，價格平均每年下降30％。邏輯電路也得到相應(yīng)的發(fā)展。 隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，計算機(jī)進(jìn)入大發(fā)展時期，通用機(jī)、巨型機(jī)，小型機(jī)、微型機(jī)都得到了發(fā)展。,1． 通用機(jī) 通用機(jī)是計算機(jī)工業(yè)中價值比重最大的產(chǎn)品，其中以IBM 370系統(tǒng)影響最大，它在與IBM 360系統(tǒng)兼容的前提下進(jìn)行了改進(jìn)。IBM公司為開發(fā)360系統(tǒng)的軟件耗費了巨大的人力和財力，1982年宣布的IBM 3084K大型通用機(jī)速度達(dá)到每秒2500萬次，主存容量為64兆字節(jié)。其他計算機(jī)廠家在發(fā)展新機(jī)種時也遵循兼容的原則。某些計算機(jī)廠家走上與IBM計算機(jī)兼容的道路，稱之為PCM：Plug Compatible Mainframe(插接兼容主機(jī))或Program Compltible Mainframe(程序兼容主機(jī))，制造與IBM兼容的計算機(jī)，它們按IBM系列機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)制造主機(jī)，并直接引用IBM計算機(jī)的軟件，因而使產(chǎn)品的性能價格比優(yōu)于IBM原裝機(jī)，以爭奪市場。,2． 巨型機(jī) 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是國防技術(shù)的發(fā)展，需要有很高運算速度，很大存儲容量的計算機(jī)，一般的大型通用計算機(jī)不能滿足要求。集成電路的進(jìn)展，為制造巨型機(jī)提供了條件。從60年代到70年代相繼完成了一些巨型機(jī)，其中取得最高成績的要推Cray—1計算機(jī)。針對天氣預(yù)報、飛行器的設(shè)計和核物理研究中存在大量向量運算的特點， Cray—1計算機(jī)的向量運算速度達(dá)每秒8000萬次，并兼顧了一般的標(biāo)量運算。1983年研制成功的CrayX—MP機(jī)向量運算速度達(dá)每秒4億次。與此同時，CDC公司的CYBER 203和205先后完成，CYBER205每秒可進(jìn)行4億次浮點運算。這些是80年代初期的水平最高的巨型機(jī)。但是這些成就還不能滿足一些復(fù)雜問題的需要，所以不少單位開展了性能更高的巨型機(jī)的研究工作。日本、英國、蘇聯(lián)，法國也先后開始研制巨型機(jī)。,3． 小型機(jī) 小型機(jī)規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單所以設(shè)計試制周期短，便于及時采用先進(jìn)工藝，生產(chǎn)量大，硬件成本低，同時由于軟件比大型機(jī)簡單，所以軟件成本也低。再加上容易操作，容易維護(hù)和可靠性高等特點，使得管理機(jī)器和編制程序都比較簡單，因而得以迅速推廣，掀起一個計算機(jī)普及應(yīng)用的浪潮。DEC公司的PDP—11系列是16位小型機(jī)的代表，到70年代中期32位高檔小型機(jī)開始興起，DEC公司的VAXll／780于1978年開始生產(chǎn)，應(yīng)用極為廣泛。VAXll系列與PDPIl系列是兼容的。小型機(jī)的出現(xiàn)打開了在控制領(lǐng)域應(yīng)用計算機(jī)的局面，許多大型分析儀器，測量儀器，醫(yī)療儀器使用小型機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整理、分析、計算等。應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上的計算機(jī)除了進(jìn)行上述工作外還可進(jìn)行自動控制。,4． 微型機(jī) 微型機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，掀起計算機(jī)大普及的浪潮。利用4位微處理器Intel 4004組成的MCS—4是世界上第一臺微型機(jī)，于1971年問世。Intel 8086是最早開發(fā)成功的十六位微處理器(1978年)，Intel80286、80386與8086兼容。1981年以后32位微處理器相繼問世，70年代后期，興起個人計算機(jī)(一種獨立微型機(jī)系統(tǒng))熱潮，最早出現(xiàn)的是Apple公司的AppleⅡ型微機(jī)(1977年)，此后各種型號的個人計算機(jī)紛紛出現(xiàn)。1981年一向以生產(chǎn)大中型通用機(jī)為主的IBM公司推出了IBM PC機(jī)，后來又推出擴(kuò)充了性能的IBM PC／XT，IBM PC／AT機(jī)，由于具有設(shè)計先進(jìn)、軟件豐富，功能齊全、價格便宜等特點，很快成為微型機(jī)市場主流。國內(nèi)外不少廠家相繼生產(chǎn)了與IBM PC兼容的個人計算機(jī)。低檔的個人計算機(jī)可供家庭娛樂和業(yè)余愛好者使用，高檔的用于經(jīng)營管理、科學(xué)計算以及教育等方面。,第五代：(1991～現(xiàn)在)采用超大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝更加完善的高密度、高速度處理機(jī)和存儲器芯片。它的最重要特點是進(jìn)行大規(guī)模并行處理，采用可擴(kuò)展的和允許時延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第五代計算機(jī)具有：智能接口功能：能識別自然語言(文字、語音)、圖形、圖象；解題和推理功能：根據(jù)自身存儲的知識進(jìn)行推理，求解問題。知識庫管理功能：計算機(jī)內(nèi)存儲大量知識，可供檢索。代表性系統(tǒng)有Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公司的CM—5、Intel超級計算機(jī)系統(tǒng)Paragon、SGI的Origin 2000和Sun公司的10000服務(wù)器。,隨同計算機(jī)硬件發(fā)展的還有軟件，應(yīng)該指出，發(fā)揮計算機(jī)的作用，推廣計算機(jī)的應(yīng)用，改進(jìn)計算機(jī)的設(shè)計以及簡化計算機(jī)的操作，使它從只供專家使用轉(zhuǎn)為面向大眾，軟件工作者起了決定性的作用。系統(tǒng)軟件不斷完善、升級，操作系統(tǒng)自動地管理計算機(jī)系統(tǒng)中各個設(shè)備以及多個程序的高效運行，是第三代計算機(jī)時期的重大成就。 廣泛應(yīng)用計算機(jī)的結(jié)果，計算機(jī)廠家向用戶提供軟件(系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件)時與硬件分別計價，并產(chǎn)生了專門從事軟件研制、生產(chǎn)、銷售工作的軟件公司。但是軟件的發(fā)展跟不上需要，軟件費用急劇增長，這是因為硬件是工業(yè)化生產(chǎn)，價格不斷下降，而軟件為人工勞動，生產(chǎn)率低，可靠性不高。,1-2 計算機(jī)的分類和應(yīng)用,1．2．1 計算機(jī)的分類 電子計算機(jī)從總體上來說分為兩大類。一類是電子模擬計算機(jī)。模擬計算機(jī)的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。模擬計算機(jī)用電壓表示數(shù)據(jù)，電壓組合和測量值用來計算，盤上連線用來控制，精度低，數(shù)據(jù)存儲量小，沒有邏輯判斷能力。 另一類是電子數(shù)字計算機(jī)，數(shù)字計算機(jī)的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。數(shù)字計算機(jī)數(shù)據(jù)表示是0和1，用數(shù)字計數(shù)，用程序控制，精度高，數(shù)據(jù)存儲量大，有較強的邏輯判斷能力。 電子模擬計算機(jī)由于精度和解題能力都有限，所以應(yīng)用范圍較小。電子數(shù)字計算機(jī)則與模擬計算機(jī)不同，它是以近似于人類的“思維過程”來進(jìn)行工作的，所以有人把它叫做電腦。,數(shù)字計算機(jī)進(jìn)一步又可分為專用計算機(jī)和通用計算機(jī)。專用和通用是根據(jù)計算機(jī)的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分的。專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用計算機(jī)適應(yīng)范圍很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。 通用計算機(jī)又可分巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和單片機(jī)六類，它們的區(qū)別在于指令系統(tǒng)規(guī)模、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲容量、體積、簡易性、功率損耗和機(jī)器價格，見圖1-1。,圖1-1 各種機(jī)型的區(qū)別,1．2．2 計算機(jī)的應(yīng)用 隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用范圍在不斷地擴(kuò)大，從國民經(jīng)濟(jì)各部門到個人家庭生活，從軍事部門到民用部門，從科學(xué)教育到文化藝術(shù)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到消費娛樂，小到電子手表、兒童玩具，大到衛(wèi)星、導(dǎo)彈的發(fā)射，應(yīng)該說計算機(jī)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，是否使用計算機(jī)已經(jīng)成為各單位或部門技術(shù)應(yīng)用水平高低的重要標(biāo)志。下面從幾個主要方面簡述計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 1．科學(xué)計算 科學(xué)研究和工程技術(shù)計算領(lǐng)域，是計算機(jī)應(yīng)用最早的領(lǐng)域，也是應(yīng)用得較廣泛的領(lǐng)域。例如數(shù)學(xué)、化學(xué)、原子能物理學(xué)、天文學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究，以及航天飛行、飛機(jī)設(shè)計、橋梁設(shè)計、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦等方面的大量計算都要用到計算機(jī)。,例如導(dǎo)彈或衛(wèi)星的發(fā)射，必須精確地計算其運行軌道和目標(biāo)，24小時天氣預(yù)報，用手搖計算器進(jìn)行計算需要幾個星期，改用高速計算機(jī)則只需要幾個小時或更短時間；生命科學(xué)中為測定胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行大量的、高精度的復(fù)雜運算，只有采用高速計算機(jī)才成為可能。 2.計算機(jī)控制 在現(xiàn)代化工廠里，計算機(jī)普遍用于生產(chǎn)過程的自動控制，對于減輕工人的勞動強度，改善工人的工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率能起到很好的作用。一般來說是計算機(jī)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)實時地對生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化控制，因此又被稱做“過程控制”。各種類型的程控機(jī)床的推出，對于提高產(chǎn)品精度和合格率是任何人工所不可能達(dá)到的。用于生產(chǎn)過程自動控制的計算機(jī)，一般都是實時控制，它們對計算機(jī)的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則將生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品，甚至造成重大設(shè)備事故或人身事故。用于控制的計算機(jī)，其輸入信息往往是電壓，溫度，機(jī)械位置等模擬量，要先將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計算機(jī)才能進(jìn)行處理或計算。當(dāng)從被控制對象測量到的信息是溫度、位置等非電量時，要將它們轉(zhuǎn)換成電量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。,,如何測量，用什么儀表測量也是一個很重要的問題。計算機(jī)的處理結(jié)果是數(shù)字量，一般要將它們轉(zhuǎn)換成模擬量去控制對象，。 3.數(shù)據(jù)處理方面 計算機(jī)發(fā)展初期，它僅僅用于數(shù)值計算。但是后來應(yīng)用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計算領(lǐng)域，可用來處理文字、表格、圖像、聲音等各類問題。因此，確切地講，計算機(jī)應(yīng)當(dāng)稱為信息機(jī)，或叫信息處理機(jī)。信息處理的范圍相當(dāng)廣泛。網(wǎng)絡(luò)就是計算機(jī)!正因為如此，這一領(lǐng)域由于internet的廣泛應(yīng)用，所占的比例也最大，帶來的各種效益也十分明顯。,4.計算機(jī)輔助設(shè)計／計算機(jī)輔助制造(CAD／CAM) 由于計算機(jī)有快速的數(shù)值計算、較強的數(shù)據(jù)處理以及模擬的能力，因而目前在飛機(jī)、船舶、光學(xué)儀器、超大規(guī)模集成電路VLSI等的設(shè)計制造過程中，CAD／CAM占據(jù)著越來越重要的地位。 在超大規(guī)模集成電路的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過設(shè)計制圖、照相制版、光刻、擴(kuò)散、內(nèi)部連接等多道復(fù)雜工序，是人工難以完成的。使用已有的計算機(jī)輔助設(shè)計新的計算機(jī)，達(dá)到設(shè)計自動化或半自動化程度，從而減輕人的勞動強度并提高設(shè)計質(zhì)量，這也是計算機(jī)輔助設(shè)計的一項重要內(nèi)容。 由于設(shè)計工作與圖形分不開，一般供輔助設(shè)計用的計算機(jī)配備有圖形顯示、繪圖儀等設(shè)備以及圖形語言、圖形軟件等。設(shè)計人員可借助這些專用軟件和輸入輸出設(shè)備把設(shè)計要求或方案輸入計算機(jī)，通過相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行計算處理后把結(jié)果顯示出來，設(shè)計人員可用光筆或鼠標(biāo)器進(jìn)行修改或選擇，直到滿意為止。,近些年來，伴隨著CAD技術(shù)的推廣，計算機(jī)輔助設(shè)計出現(xiàn)了許多新的分支。例如，計算機(jī)輔助制造(CAM)，計算機(jī)輔助測試(CAT)，計算機(jī)輔助教學(xué)(CAl)等均屬于計算機(jī)輔助設(shè)計的范疇。國家教育部明確指示，學(xué)校要將CAI引入教學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體制、教學(xué)思想和教學(xué)方法的改革，要改變傳統(tǒng)的“一支粉筆、一塊黑板”的教學(xué)模式，把教學(xué)水平推上一個新的臺階，努力實現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化。尤其是近年來，網(wǎng)上大學(xué)問世，各種不同規(guī)模、不同類型的教學(xué)課件在網(wǎng)上大顯神通，教學(xué)體制將產(chǎn)生重大改革，不能說這不是計算機(jī)的功勞。 5.人工智能 人類的許多腦力勞動，諸如證明數(shù)學(xué)定理、進(jìn)行常識性推理，理解自然語言，診斷疾病、下棋游戲、破譯密碼等都需要“智能”。人工智能是將人腦在進(jìn)行演繹推理的思維過程、規(guī)則和所采取的策略、技巧等編成計算機(jī)程序，在計算機(jī)中存儲一些公理和推理規(guī)則，然后讓機(jī)器去自動探索解題的方法，所以這種程序不同于計算機(jī)的一般應(yīng)用程序。人工智能的研究課題是多種多樣的，諸如計算機(jī)學(xué)習(xí)、計算機(jī)證明、景物分析、模擬人的思維過程、機(jī)器人等等，內(nèi)容很多。,以下棋為例，如果程序人員把走棋子的法則編成程序存入計算機(jī)，計算機(jī)就可以按規(guī)則走動棋子，與人對弈。下棋的結(jié)果，計算機(jī)可能輸了，第二次再下，當(dāng)人的走法不變時，計算機(jī)就再輸一次。但是如果我們從方法和程序上研究一種新的手段，使計算機(jī)下棋輸了一次以后它能進(jìn)行自學(xué)習(xí)、自組織、自積累經(jīng)驗，那么下次再下棋時就不會重犯上次的錯誤，這就是人工智能所研究的課題。 智能機(jī)器人是人工智能各種研究課題的綜合產(chǎn)物，有感知和理解周圍環(huán)境、進(jìn)行推理和操縱工具的能力，并能通過學(xué)習(xí)適應(yīng)周圍環(huán)境，完成某種動作。在不允許人進(jìn)入的場所(如高溫、有放射性物質(zhì)等)使用機(jī)器人有特殊的意義。 人工智能研究中最有成就的要算“機(jī)器人”。目前世界上有大量的“工業(yè)機(jī)器人”在生產(chǎn)線上或在高溫、有毒、輻射、深水等環(huán)境下工作。盡管它們只做一些非常簡單的事情，但是任務(wù)完成得非常出色?，F(xiàn)在，又出現(xiàn)了比“工業(yè)機(jī)器人”更高明的“智能機(jī)器人”，它會自己識別控制對象和工作環(huán)境，作出判斷和決策，直接領(lǐng)會人的口令和意圖，能避開障礙物，適應(yīng)環(huán)境條件的變化，靈活機(jī)動地完成控制任務(wù)與信息處理任務(wù)。,1．3 計算機(jī)的硬件和軟件,1．3．1 計算機(jī)的硬件 計算機(jī)的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器，存儲器和控制器五部分組成。圖1．2為計算機(jī)硬件組成框圖。 輸入設(shè)備用來輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。最常用的輸入設(shè)備是鍵盤、掃描儀等。輸入的信息有數(shù)字，字母和控制符等，人們經(jīng)常用八位二進(jìn)制碼來表示一個數(shù)字(0～9)、一個字母(A，B，C，…，X，Y，Z)或其他符號，當(dāng)前通用的是ASCⅡ碼，它用七位二進(jìn)制碼來表示一個字符，最高的一位可用于奇偶校驗或作其它用處。在計算機(jī)中，一般把八位二進(jìn)制碼稱為一個字節(jié)。 輸出設(shè)備用來輸出計算機(jī)的處理結(jié)果，可以是數(shù)字、字母、表格、圖形等。最常用的輸入輸出設(shè)備是顯示終端和打印機(jī)，處理結(jié)果顯示在屏幕上，而打印機(jī)則將結(jié)果打印在紙上，除此以外，為了監(jiān)視人工輸入信息的正確性，在用鍵盤輸入信息時，將剛輸入的信息顯示在屏幕上，如有錯誤，可及時糾正。,圖1-2 計算機(jī)硬件組成框圖,,,1.運算器 運算器是對信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的是算術(shù)運算和邏輯運算，所以在其內(nèi)部有一個算術(shù)及邏輯運算部件（ALU）。算術(shù)運算是按照算術(shù)規(guī)則進(jìn)行的運算，例如加、減、乘、除、求絕對值、求負(fù)值等。邏輯運算一般是指非算術(shù)性質(zhì)的運算，例如比較大小、移位、邏輯乘、邏輯加等。 二進(jìn)制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單。例如加法：0+0＝0，0+1＝1，l+0＝1，1+1＝10，最后一個加式中等號右邊的“1”表示向上一位的進(jìn)位。又如乘法：0X0＝0，Ox1＝0，1X0＝0，1X1=l0，正是由于二進(jìn)制數(shù)運算規(guī)律簡單，在電子器件中比較容易實現(xiàn)，因此，在電子數(shù)字計算機(jī)中廣泛采用二進(jìn)制數(shù)。 二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)一樣，在運算中，當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時，計算的精度就越高。理論上講，數(shù)的位數(shù)可以任意多。但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多，因此目前計算機(jī)的運算器長度一般是8位、16位、32位或64位。,2.存儲器 存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機(jī)各種信息的存儲和交流中心。存儲器的功能是保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。為此，在運算前需要把參加運算的數(shù)據(jù)和解題步驟通過輸入設(shè)備送到存儲器中保存起來。在控制器控制之下，存儲器可與輸入輸出設(shè)備、運算器、控制器交換信息，起存儲、緩沖、傳遞信息的作用。 存儲器存儲的全是0或1表示的二進(jìn)制代碼。那么大量的0、1代碼在存儲器中如何保存呢?目前采用半導(dǎo)體器件來擔(dān)當(dāng)此任務(wù)。我們知道，一個半導(dǎo)體觸發(fā)器有0和l兩種狀態(tài)，可以記憶一個二進(jìn)制代碼。一個數(shù)假定用16位二進(jìn)制代碼來表示，那么就需要有16個觸發(fā)器來保存這些代碼。通常，在存儲器中把保存一個數(shù)的16個觸發(fā)器稱為一個存儲單元。存儲器是由許多存儲單元組成的。每個存儲單元都有編號，稱為地址。向存儲器中存數(shù)或者從存儲器中取數(shù)，都要按給定的地址來尋找所選的存儲單元，這相當(dāng)于上面所講的橫格紙每一行存放一個數(shù)一樣。圖1-3為存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖。,圖1-3為存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖,,存儲器所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲器的存儲容量，通常用單位KB，MB來表示，存儲容量越大，表示計算機(jī)記憶儲存的信息就越多。 半導(dǎo)體存儲器的存儲容量畢竟有限，因此計算機(jī)中又配備了存儲容量更大的磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為外存儲器。 3.控制器 控制器主要用來實現(xiàn)計算機(jī)本身運行過程的自動化，即實現(xiàn)程序的自動執(zhí)行。 (1)計算程序 (2)指令的形式 (3)控制器的基本任務(wù) (4)指令流和數(shù)據(jù)流 4.適配器與輸入輸出設(shè)備,1．3．2 計算機(jī)的軟件 1．軟件的組成與分類 所有軟件都是使用某種語言編寫的、可完成各種功能的程序。計算機(jī)語言有機(jī)器語言、匯編語言和高級語言之分。 機(jī)器語言是計算機(jī)硬件可直接識別的最低級的語言。它要求程序員不僅要了解機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且要掌握各條機(jī)器指令的二進(jìn)制編碼格式，這是很難做到的。因此利用機(jī)器語言編寫程序是非常困難的。 匯編語言是采用助記符編程的語言，用匯編語言編寫的源程序必須由匯編程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語言程序才能被機(jī)器執(zhí)行，匯編語言與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，能較好地發(fā)揮機(jī)器硬件的功能，因此要求程序員對機(jī)器硬件有一定的了解，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的序列機(jī)內(nèi)部可實現(xiàn)匯編語言級的軟件兼容。匯編語言的優(yōu)點是執(zhí)行速度快，因此多用于實時控制。 高級語言是完全脫離機(jī)器硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同要求而設(shè)計出的通用的程序設(shè)計語言，品種繁多，目前世界上使用的高級語言有上百種，大體上可分成兩大類：其一是會話型的高級語言，它必須由解釋程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語言程序才能被執(zhí)行，而且是一邊解釋一邊執(zhí)行，即每解釋一個語句就執(zhí)行一個語句，以達(dá)到人機(jī)會話的要求。,換句話說，完全不了解計算機(jī)硬件的人，同樣可使用高級語言來編寫可執(zhí)行的源程序。 計算機(jī)軟件可分成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類，如圖1-4 計算機(jī)軟件組成圖。應(yīng)用軟件是由應(yīng)用程序員根據(jù)要求，使用各種語言編寫的源程序,是利用計算機(jī)來解決某些問題而編制的程序。系統(tǒng)軟件通常包括用來管理機(jī)器的操作系統(tǒng)，各種高級語言的編譯或解釋程序，匯編程序，數(shù)據(jù)庫管理程序，還有系統(tǒng)調(diào)試程序、故障診斷程序和錯誤檢測程序等，它們是由系統(tǒng)程序員編寫的，一般不允許修改，可固定存放在機(jī)內(nèi)的只讀存儲器中，或者存放在外部存儲器中，需要時調(diào)入機(jī)器的內(nèi)存儲器中去執(zhí)行。它包括以下四類：(1)各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等；(2)語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；(3)操作系統(tǒng)；(OperatingSystem簡稱OS)用來管理和控制計算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源，提高這些資源的利用率，并為用戶使用計算機(jī)提供方便，屬于核心的系統(tǒng)程序。 一個操作系統(tǒng)的研制，常常需要上百個“人年”甚至更長，目前比較流行的操作系統(tǒng)有MS-DOS，UNIX，WINDOWS，LINIX等。匯編、編譯或解釋程序?qū)儆谡Z言處理程序，是各種語言的源程序能在機(jī)內(nèi)正常運行的關(guān)鍵軟件。,(4)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理程序是管理數(shù)據(jù)庫的工具，計算機(jī)在工作過程中常常需要處理大量的數(shù)據(jù)信息，它們可集中存放在各種類型的數(shù)據(jù)庫中。為了數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護(hù)，使各種類型的數(shù)據(jù)庫管理程序應(yīng)運而生。從早期的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBASE到目前流行的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)ORACLE、SYBACE等，它們都能在操作系統(tǒng)的管理下，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理和控制功能。除此之外，系統(tǒng)調(diào)試程序、故障診斷程序也是系統(tǒng)軟件中不可缺少的部分。 2．軟件的發(fā)展演變 早期的計算機(jī)中，是直接用機(jī)器語言(即機(jī)器指令代碼)來編寫程序的，這種方式編寫的程序稱為手編程序。這種用機(jī)器語言書寫的程序，計算機(jī)完全可以“直接識別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。,圖1-4 計算機(jī)軟件組成圖,,為了編寫程序方便和提高機(jī)器的使用效率，人們想了一種辦法，用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令，然后再用這些特殊符號表示的指令來編寫程序。這就是所謂的匯編語言。對人來講，符號語言簡單直觀、便于記憶，比二進(jìn)制數(shù)表示的機(jī)器語言方便了許多。借助于匯編程序，計算機(jī)本身可以自動地把符號語言表示的程序(稱為匯編源程序)翻譯成用機(jī)器語言表示的目的程序，從而實現(xiàn)了程序設(shè)計工作的部分自動化。使用符號語言編程序比用機(jī)器語言編程序是進(jìn)了一步，但符號語言還是一種最初級的語言，和數(shù)學(xué)語言的差異很大，并且仍然面向一臺具體的機(jī)器。由于不同的計算機(jī)其指令系統(tǒng)也不同，所以人們使用計算機(jī)時必須先花很多時間熟悉這臺機(jī)器的指令系統(tǒng)，然后再用它的符號語言來編寫程序，因此還是很不方便，節(jié)省的人力時間也有限。為了進(jìn)一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機(jī)的人也能很方便地使用計算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言。,所謂算法語言，是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。算法語言比較接近數(shù)學(xué)語言，它直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計算機(jī)。有影響的算法語言有BASIC，F(xiàn)ORTRAN，C等。用算法語言編寫的程序稱為源程序。但是，這種源程序如同匯編源程序一樣，是不能由機(jī)器直接識別和執(zhí)行的，也必須給計算機(jī)配備一個既懂算法語言又懂機(jī)器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機(jī)器語言。通常采用編譯方法和解釋方法這兩種方法。 用戶直接使用機(jī)器總覺得機(jī)器“太硬了”，很多情況都得依附它。而計算機(jī)又覺得用戶及外部設(shè)備“太笨”，常常使它處于無事可做的狀態(tài)，要擺脫這種情況還要依靠計算機(jī)來管理自己和管理用戶，于是人們又創(chuàng)造出一類程序，叫做操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來管理計算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序，而使多個用戶能有效地共用一套計算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計算機(jī)的使用效率成倍地提高，并且為用戶提供了方便的使用手段和令人滿意的服務(wù)質(zhì)量。,根據(jù)不同使用環(huán)境要求，操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。個人計算機(jī)中廣泛使用微軟公司的“視窗”操作系統(tǒng)。 隨著計算機(jī)在信息處理、情報檢索及各種管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，要求大量處理某些數(shù)據(jù)，建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，使得處理更方便，檢索更迅速，用戶使用更方便，于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫。所謂數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有各種類型。目前許多計算機(jī)包括微型機(jī)，都配有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。軟件的進(jìn)一步發(fā)展，將開發(fā)更高級的計算機(jī)語言。這是因為目前所有的高級語言編寫程序時，程序比較復(fù)雜，開發(fā)成本高。計算機(jī)語言發(fā)展的方向是標(biāo)準(zhǔn)化、積木化、產(chǎn)品化，最終是向自然語言發(fā)展，它們能夠自動生成程序。,1．4 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1.計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 “計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這個名詞來源于英文computer architecture，也有譯成“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”的。Architecture這個字原來用于建筑領(lǐng)域，其意義是“建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計或式樣”，它是指一個系統(tǒng)的外貌。 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個詞是Amdahl等人在1964年提出的。他們把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為由程序設(shè)計者所看到的一個計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。這實際上是計算機(jī)系統(tǒng)的外特性。按照這一定義，不同程序設(shè)計者所看到的計算機(jī)有不同的屬性。 在計算機(jī)技術(shù)中，一種本來存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。通常，在一個計算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器級的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對高級語言程序員來說是透明的。由此看出，在層次結(jié)構(gòu)的各個級上都有它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,2.計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)，如圖所示。圖中每一級各對應(yīng)一種機(jī)器。圖中的第0級機(jī)器由硬件實現(xiàn)，第1級機(jī)器由微程序(固件)實現(xiàn)，第2級至第6級機(jī)器由軟件實現(xiàn)。我們稱由軟件實現(xiàn)的機(jī)器為虛擬機(jī)器，以區(qū)別于由硬件或固件實現(xiàn)的實際機(jī)器。 第0和第1級是具體實現(xiàn)機(jī)器指定功能的中央控制部分。它根據(jù)各種指令操作所需要的控制時序，配備一套微指令，編寫出微程序，控制信息在各寄存器之間的傳送，這就是第1級機(jī)器。實現(xiàn)這些微指令本身的控制時序只需要很少的邏輯線路，可采用硬聯(lián)邏輯實現(xiàn)，它就是第0級機(jī)器，是機(jī)器的硬件內(nèi)核。 第2級是傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器。這級的機(jī)器語言是該機(jī)的指令系統(tǒng)。機(jī)器語言程序員用這級指令系統(tǒng)編寫的程序由第1級的微程序進(jìn)行解釋。,第3級是操作系統(tǒng)機(jī)器。這級的機(jī)器語言中的多數(shù)指令是傳統(tǒng)機(jī)器的指令，如算術(shù)運算、邏輯運算和移位等指令。此外，這一級還提供操作系統(tǒng)級指令，操作系統(tǒng)是運行在第2級的解釋程序。 第4級是匯編語言機(jī)器。這級的機(jī)器語言是匯編語言。用匯編語言編寫的程序首先翻譯成第3級或第2級語言，然后再由相應(yīng)的機(jī)器進(jìn)行解釋。完成翻譯的程序叫作匯編程序。 第5級是高級語言機(jī)器。這級的機(jī)器語言就是各種高級語言。用這些語言所編寫的程序 一般是由編譯程序翻譯到第4級或第3級上的語言，個別的高級語言也用解釋的方法實現(xiàn)。 第6級是應(yīng)用語言機(jī)器。這級的機(jī)器語言是應(yīng)用語言。這種語言使非計算機(jī)專業(yè)人員也能直接使用計算機(jī)，只需在用戶終端用鍵盤或其他方式發(fā)出服務(wù)請求就能進(jìn)入第6級的信息處理系統(tǒng)。,,計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖,從學(xué)科領(lǐng)域來劃分，大致可以認(rèn)為第0至第1級是計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)討論的范圍，第3至第5級是系統(tǒng)軟件，第6級是應(yīng)用軟件。但是，嚴(yán)格說起來又不盡然，它們之間仍有交叉。例如，第0級要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第2級涉及匯編語言程序設(shè)計的內(nèi)容；第3級與計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在特殊的計算機(jī)系統(tǒng)中，有些級別可能不存在。 把計算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)，首先有利于正確理解計算機(jī)系統(tǒng)的工作，明確軟件、硬件和固件在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用。其次有利于理解各種語言的實質(zhì)及其實現(xiàn)。最后還有利于探索虛擬機(jī)器新的實現(xiàn)方法，設(shè)計新的計算機(jī)系統(tǒng)。,1．5 本章小結(jié),“電子計算機(jī)”是指現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電子數(shù)字計算機(jī)，它分為專用計算機(jī)和通用計算機(jī)兩大類。專用和通用是根據(jù)計算機(jī)的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分的。通用計算機(jī)又分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)六類，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、性能、價格依次遞減。 計算機(jī)的生命力在于它的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用的范圍幾乎涉及人類社會的所有領(lǐng)域。計算機(jī)的硬件是由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設(shè)備。計算機(jī)的軟件是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是計算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。計算機(jī)軟件一般分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件用來管理計算機(jī)的軟硬件它包括各種服務(wù)性程序、語言類程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。應(yīng)用程序是針對某一具體應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的軟件。 計算機(jī)系統(tǒng)是一個由硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)，它通常由微程序級、一般機(jī)器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成。,