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第1章:计算机系统概论
第2章:运算方法和运算器
第3章:存储系统
第4章:指令系统
第5章:中央处理器
第6章:总线系统
第7章:外围设备
第8章:输入输出系统
参考文献
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第一章计算机系统概论
1-1计算机的发展简史
1-2计算机的分类和应用
1-3计算机的硬件和软件
1-4计算机系统的层次结构
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1-1计算机的发展简史
电子计算机是一个统称,实际上它被明确地分两大类:“电子模拟计算机”和“电子数字计算机”。前者是使用连续变化的物理量(例如电流、电压等)来表示数值的大小并参加机内运算,其运算结果自然也是连续变化的物理量;后者是将运算对象数字化成为离散的数字量,用数码进行运算,其运算结果也是离散的数字信息,它运算速度快、运算精度高,现代人们所说的“电子计算机”或“计算机”,都是指“电子数字计算机”,也是本书讨论的对象。
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电子计算机的发展,如果从第一台计算机的问世算起,到现在半个多世纪,在人类科技史上还没有一种学科的发展速度可以与电子计算机的发展速度相提并论。
20世纪40年代,无线电技术和无线电工业的发展为电子计算机的研制准备了物质基础,1943年~1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分和计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)是世界上第一台电子计算机。ENIAC计算机共用18000多个电子管,1500个继电器,重达30吨,占地170平方米,耗电140千瓦,每秒钟能计算5000次加法,研制人是埃克特()和莫克利()。ENIAC计算机存在两个主要缺点,一是存储容量太小,只能存20个字长为10位的十进制数,二是用线路连接的方法来编排程序,
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因此每次解题都要依靠人工改接连线,准备时间大大超过实际计算时间。
在ENIAC计算机研制的同时,冯·诺依曼(VonNeumann)与莫克利、埃克特小组合作研制EDVAC计算机,在这台计算机中确立了计算机的五个基本部件:输入器、输出器、运算器、存储器、控制器。程序和数据存放在存储器中,并采用了二进制,确立了存储程序的原则。现代的一般计算机被称作冯·诺依曼结构计算机。
第一代:电子管计算机时代(从1946年第一台计算机研制成功到五十年代后期),将电子管、继电器和存储器用绝缘导线互连在一起,由单个CPU构成,CPU用程序计数器和累加器顺序完成定点运算,采用机器语言或汇编语言,用CPU程序控制I/O。其主要特点是采用电子管作为基本器件。
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代表性系统有由JohnvonNeumann,AnhurBurks和HermanGoldstine于1946年在普林斯顿大学研制成功的IAS计算机、由宾夕法尼亚大学莫尔学院于1950年制成的ENIAC、由IBM于1953年制造的IBM701计算机。
第二代:晶体管计算机时代(1955~1964),采用分立式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯,用印刷电路将它们互连起来。采用了变址寄存器、浮点运算、多路存储器和I/O处理机。采用有编译程序的高级语言、子程序库、批处理监控程序。这时期计算机的主要器件逐步由电子管改为晶体管,因而缩小了体积,降低了功耗,提高了速度和可靠性。而且价格不断下降。后来又采用了磁心存储器,使速度得到进一步提高。代表性系统有1959年制成的UnivacI。ARC、60年代的CDCl604和1962年制成的IBM7030。1969年1月制成的超大型计算机CDC7600,速度达到每秒千万次浮点运算,是这一时期设计最成功的产品。
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第三代:集成电路计算机时代(1965—1974),采用小规模或中规模集成电路和多层印刷电路。采用了流水线、高速缓存和并行处理机。软件方面采用多道程序设计和分时操作系统。这时期的计算机采用集成电路作为基本器件,因此功耗,体积,价格等进一步下降,而速度及可靠性相应地提高,这就促使了计算机的应用范围进一步扩大。正是由于集成电路成本的迅速下降,产生了成本低而功能不是太强的小型计算机供应市场,占领了许多数据处理的应用领域。代表性系统有IBM/360—370系列、CDC6600/7600系列、Texas仪表公司的ASC和DigitalEquipment公司的PDP—8系列。IBM360系统是最早采用集成电路的通用计算机,也是影响最大的第三代计算机。它的主要特点是通用化,系列化、标准化。
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通用化:指令系统丰富,兼顾科学计算、数据处理、实时控制三个方面。
系列化:IBM360各档机器采用相同的系统结构,即在指令系统、数据格式,字符编码、中断系统、控制方式、输入/输出操作方式等方面保持统一,从而保证了程序兼容,当用户更新机器时原来在低档机上编写的程序可以不作修改就使用在高档机上。IBM360系统后来陆续增加的几种型号仍保持与前面的产品兼容。后来,西欧与日本的一些通用计算机也保持与IBM360系统兼容。苏联和东欧国家联合制造的“统一系统”也是与IBM360系统兼容的。
标准化:采用标准的输入/输出接口,因而各个机型的外部设备是通用的。采用积木式结构设计,除了各个型号的CPU独立设计以外,存储器、外部设备都采用标准部件组装。
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第四代:大规模集成电路计算机时代(1974—1991),采用大规模或超大规模集成电路和半导体存储器,出现了用共享存储器、分布存储器或向量硬件选择的不同结构的并行计算机,开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器,同时产生了用于并行处理或分布处理的软件工具和环境。七十年代初,半导体存储器问世,迅速取代了磁心存储器,并不断向大容量、高速度发展,此后,大体上集成度每三年翻两番(1971年每片1K位,到1984年达到每片256K位),价格平均每年下降30%。逻辑电路也得到相应的发展。
随着大规模集成电路的迅速发展,计算机进入大发展时期,通用机、巨型机,小型机、微型机都得到了发展。
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通用机是计算机工业中价值比重最大的产品,其中以IBM370系统影响最大,它在与IBM360系统兼容的前提下进行了改进。IBM公司为开发360系统的软件耗费了巨大的人力和财力,1982年宣布的IBM3084K大型通用机速度达到每秒2500万次,主存容量为64兆字节。其他计算机厂家在发展新机种时也遵循兼容的原则。某些计算机厂家走上与IBM计算机兼容的道路,称之为PCM:PlugCompatibleMainframe(插接兼容主机)或ProgramCompltibleMainframe(程序兼容主机),制造与IBM兼容的计算机,它们按IBM系列机的系统结构制造主机,并直接引用IBM计算机的软件,因而使产品的性能价格比优于IBM原装机,以争夺市场。
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