第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

2023/2/21

教材：王愛英主編

《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》

(第5版)清華大學(xué)出版社

計(jì)算機(jī)組成

教師：吳濤計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院2023/2/22--------------------------課程簡(jiǎn)介--------------------------本課程從計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念出發(fā)，系統(tǒng)講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生應(yīng)理解計(jì)算機(jī)各部件內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念，熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化概念，了解計(jì)算機(jī)體系的新技術(shù)，能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，為學(xué)習(xí)本專業(yè)后繼課程和對(duì)今后從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究、開發(fā)打好基礎(chǔ)。2023/2/23目錄 第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 第2章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算 第3章存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 第4章指令系統(tǒng) 第5章中央處理器 第6章總線 第7章輸入輸出系統(tǒng) 第8章流水線處理技術(shù) 第9章并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 2023/2/24第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用2023/2/251.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程根據(jù)制造計(jì)算機(jī)所使用的元器件的不同，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展依次經(jīng)歷了電子管時(shí)代、晶體管時(shí)代、中小規(guī)模集成電路時(shí)代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時(shí)代等幾個(gè)不同的發(fā)展階段。電子管晶體管集成電路2023/2/261.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第一代，電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946～1959）電子管是封裝在玻璃外殼內(nèi)的一種電真空器件。1904年，世界上第一只電子管在英國(guó)物理學(xué)家弗萊明的手下誕生，標(biāo)志著世界從此進(jìn)入了電子時(shí)代。世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），1946年由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制，字長(zhǎng)12位，運(yùn)算速度5000次/秒，使用18800個(gè)電子管、1500個(gè)繼電器，功耗150kw，占地170m2，重達(dá)30噸，造價(jià)100萬(wàn)美元。一般認(rèn)為它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的始祖。2023/2/27世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC2023/2/28有爭(zhēng)議的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)：二戰(zhàn)中，為破譯德國(guó)人的機(jī)械式密碼，英國(guó)情報(bào)機(jī)關(guān)與數(shù)學(xué)、電子學(xué)專家合作，1943年研制出了一種大型電子運(yùn)算裝置，稱其為“巨人”機(jī)。1939年12月，美籍保加利亞人、物理學(xué)家阿塔納索夫就造出了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ABC，但正值二戰(zhàn)，他沒(méi)有申請(qǐng)專利，也沒(méi)有公布資料。1941年，約翰·莫奇利在阿坦那索夫家借住5天，可能看到了研究成果，其后負(fù)責(zé)制造了ENIAC，隨后迅速申請(qǐng)專利。1967年，莫奇利被告上法庭。1973年10月19日，法庭終審，該審判從法律上認(rèn)定阿坦那索夫才是真正的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)明人，這是一場(chǎng)美國(guó)歷史上耗時(shí)最久的知識(shí)產(chǎn)權(quán)官司。2023/2/291.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第一代，電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946～1959）ENIAC計(jì)算機(jī)存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)，一是存儲(chǔ)容量太小，只能存20個(gè)字長(zhǎng)為10位的十進(jìn)制數(shù)，二是用線路連接的方法來(lái)編排程序，每次解題都要依靠人工改接連線，準(zhǔn)備時(shí)間大大超過(guò)實(shí)際計(jì)算時(shí)間。與ENIAC計(jì)算機(jī)研制的同時(shí)，馮·諾依曼(VonNeumann)與莫爾小組合作研制EDVAC計(jì)算機(jī)，采用了存儲(chǔ)程序方案，其后開發(fā)的計(jì)算機(jī)都采用這種方式，稱為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。ENIAC的總設(shè)計(jì)師，世界上第一家計(jì)算機(jī)公司創(chuàng)辦者：約翰·莫克利計(jì)算機(jī)之父，博弈論之父：馮·諾依曼2023/2/2101.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第一代，電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946～1959）一般認(rèn)為馮·諾依曼機(jī)具有如下基本特點(diǎn)：

(1)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。(2)采用存儲(chǔ)程序方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，并以二進(jìn)制碼表示。(3)指令由操作碼和地址碼組成。(4)指令在存儲(chǔ)器中按執(zhí)行順序存放，由指令計(jì)數(shù)器（即程序計(jì)數(shù)器PC）指明要執(zhí)行的指令所在的存儲(chǔ)單元地址，一般按順序遞增，但可按運(yùn)算結(jié)果或外界條件改變。(5)以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都通過(guò)運(yùn)算器。2023/2/2111.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第二代，晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1959～1964）晶體管通常指晶體三極管，是內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)、外部通常為三個(gè)引出電極的半導(dǎo)體器件。1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室肖克利發(fā)明了晶體管。1958年晶體管進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。用晶體管可設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎(chǔ)上，再實(shí)現(xiàn)出計(jì)算機(jī)用的全部組合邏輯線路，和觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等各種時(shí)序邏輯線路?！熬w管之父”

“硅谷第一人”肖克利W.Shockley

2023/2/2121.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第二代，晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1959～1964）1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)，取名“催迪克”（TRADIC），裝有800個(gè)晶體管。1958年，美國(guó)IBM公司制成第一臺(tái)全部使用晶體管的計(jì)算機(jī)RCA501型。1964年，中國(guó)制成了第一臺(tái)全晶體管電子計(jì)算機(jī)441-B型。2023/2/2131.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第二代，晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1959～1964）第二代計(jì)算機(jī)性能和可靠性提高，體積和價(jià)格下降，外設(shè)和軟件也越來(lái)越多，并且高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)運(yùn)而生，從而使計(jì)算機(jī)工業(yè)迅速發(fā)展。盡管用晶體管替代電子管使計(jì)算機(jī)面貌煥然一新，但隨著對(duì)計(jì)算機(jī)性能的追求，新計(jì)算機(jī)包含的晶體管數(shù)量已從一萬(wàn)個(gè)左右驟增到數(shù)十萬(wàn)個(gè)，人們需要將這些晶體管、電阻等元件都焊接到一塊電路板上，再有一塊塊電路板通過(guò)導(dǎo)線連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。其復(fù)雜工藝嚴(yán)重影響了制造計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)效率，使計(jì)算機(jī)可靠性很低。2023/2/2141.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第三代，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1964～1970）集成電路（IntegratedCircuit，簡(jiǎn)稱IC）是將各種電子電子元器件以相互聯(lián)系的狀態(tài)集成到半導(dǎo)體材料（主要是硅）或絕緣體材料薄層片子上，再用一個(gè)管殼將其封裝起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定功能的電路或系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、傳輸及控制功能是由各類門電路實(shí)現(xiàn)的，而門電路又是由晶體管、電阻、電容等組成，集成電路制造技術(shù)發(fā)展可實(shí)現(xiàn)將成百上千個(gè)門電路全部制作在一塊小硅片上，這使得計(jì)算機(jī)體積大大縮小，功耗降低，計(jì)算機(jī)可靠性提高。4081,四2輸入與門2023/2/215第一個(gè)集成電路：1958年，美國(guó)德克薩斯儀器公司JackKilby提出將多個(gè)半導(dǎo)體元件放在一片半導(dǎo)體材料上，這個(gè)成果就是世界上第一個(gè)集成電路。JackKilby：集成電路的發(fā)明專利擁有者，集成電路之父（爭(zhēng)議），奠定了現(xiàn)代微電子學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)。因參與發(fā)明集成電路2000年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2023/2/216RobertNoyce：著名物理學(xué)家，集成電路推廣者，英特爾創(chuàng)始人，1958年與JackKilby同時(shí)宣布制成第一塊集成電路，法庭將集成電路發(fā)明專利授予基爾比，而將關(guān)鍵的內(nèi)部連接技術(shù)（制作工藝）專利授予諾伊斯。諾伊斯共同創(chuàng)辦了兩家硅谷最偉大的公司之一：第一家是半導(dǎo)體工業(yè)的搖籃--仙童(Fairchild)公司，已成為歷史；第二家則仍躋身美國(guó)最大的公司之列，這就是英特爾公司。他的外號(hào)叫“硅谷市長(zhǎng)”。硅谷唯一一位集財(cái)富、威望和成就于一體的圣人2023/2/2171.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第三代，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1964～1970）第三代計(jì)算機(jī)的代表是IBM公司花了50億美元開發(fā)的IBM360系列。20世紀(jì)60年代初，IBM公司提出研制由集成電路組成的系列電腦，淘汰晶體管機(jī)器。1961年12月28日，“IBM360系統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)”方案出臺(tái)。新電腦系統(tǒng)用360為名，表示一圈360度。代表360電腦從工商業(yè)到科學(xué)界的全方位應(yīng)用。所需費(fèi)用：研制經(jīng)費(fèi)5億，生產(chǎn)設(shè)備10億，推銷和租賃35億—共需投資50億！而美國(guó)研制第一顆原子彈的“曼哈頓工程”才用了20億美元。360系列率先提出“兼容性”概念，1964年IBM360系列面世，共有6個(gè)型號(hào)大、中、小型電腦和44種配套設(shè)備。5年之內(nèi)，IBM360共售出32300臺(tái)，創(chuàng)造了電子計(jì)算機(jī)銷售中的奇跡。2023/2/2181.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第四代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1970至今）目前計(jì)算機(jī)使用的元件依然是集成電路，不過(guò)，這種集成電路已經(jīng)大大改善，它包含著幾十萬(wàn)到上百萬(wàn)個(gè)晶體管，人們稱之為大規(guī)模集成電路（LargeScalelntegratedCircuit，簡(jiǎn)稱LSI）和超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，簡(jiǎn)稱VLSI）1975年，美國(guó)IBM公司推出了個(gè)人計(jì)算機(jī)PC（PersonaIComputer），計(jì)算機(jī)開始深入到人類生活的各個(gè)方面。2023/2/2191.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第四代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1970至今）表1.1概括了計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中各個(gè)階段的特點(diǎn)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是由大到巨(追求高速度、高容量、高性能)，由小到微(追求微型化,包括臺(tái)式、便攜式、筆記本式乃至掌上型,使用方便,價(jià)格低廉)，網(wǎng)絡(luò)化，智能化。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在許多技術(shù)領(lǐng)域取得了極大進(jìn)步。如多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能、不污染環(huán)境并節(jié)約能源的“綠色計(jì)算機(jī)”等。許多新技術(shù)和材料開始應(yīng)用于計(jì)算機(jī),如量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)和納米計(jì)算機(jī)等。2023/2/220表1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中各個(gè)階段的特點(diǎn)年代第一代1946-1959第二代1959-1964第三代1964-1970第四代1970-現(xiàn)在電子器件電子管晶體管集成電路大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路存儲(chǔ)器延遲線磁芯、磁鼓磁帶、紙帶磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導(dǎo)體存儲(chǔ)器磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導(dǎo)體存儲(chǔ)器磁帶、磁盤光盤處理方式機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言監(jiān)控程序高級(jí)語(yǔ)言實(shí)時(shí)處理操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)/分時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理過(guò)程控制科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)等科技工程領(lǐng)域各行各業(yè)運(yùn)行速度5000至3萬(wàn)次/秒幾十萬(wàn)至百萬(wàn)次/秒百萬(wàn)至幾百萬(wàn)次/秒幾百萬(wàn)至千億次/秒典型機(jī)型ENIACEDVACIBM705UNIVACⅡIBM7094CDC6600IBM360PDP11NOVA1200ILLIAC-ⅣVAX11IBMPC2023/2/2211.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程IT行業(yè)第一定律——摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能將提升一倍。1965年4月，當(dāng)時(shí)還是仙童公司電子工程師的摩爾在《電子學(xué)》雜志上發(fā)文提出。四十多年來(lái)，該定律基本有效。專家預(yù)言，隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米級(jí)，芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運(yùn)行也難以控制，“摩爾定律”將逐步失效。戈登.摩爾Intel公司聯(lián)合創(chuàng)世人現(xiàn)任Intel公司名譽(yù)董事長(zhǎng)2023/2/222計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上幾次飛躍(應(yīng)用)

1發(fā)展階段代表性成果標(biāo)志性成就硬件軟件應(yīng)用說(shuō)明第一次飛躍電子計(jì)算機(jī)1919，電子觸發(fā)器

1946，ENIAC

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的確立1969，貝爾實(shí)驗(yàn)室Unix

1957,IBM,Fortran

1960,結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言ALGOL60

1970,Pascal

1964,日本，鐵路售票系統(tǒng)

1967，IBM,應(yīng)用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊

1970，斯坦福大學(xué),專家系統(tǒng)DENDRAL

計(jì)算機(jī)進(jìn)入社會(huì)2023/2/223計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上幾次飛躍(應(yīng)用)

2發(fā)展階段代表性成果標(biāo)志性成就硬件軟件應(yīng)用說(shuō)明第二次飛躍微型計(jì)算機(jī)1971，日本與Intel,4004

1975,美國(guó),Altair8800/Tandy,TRS80等

Apple機(jī)(motorola68000)與IBMPC機(jī)

1987IBMPS/2(MCA結(jié)構(gòu))

單片機(jī)Microsoft公司:DOS/WINDOWS工業(yè)控制

/自動(dòng)化儀器與家電

OA/商業(yè)

/機(jī)電與宇航出現(xiàn)了許多技術(shù)與產(chǎn)品：

工作站

/并行計(jì)算機(jī)

/精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC）

面向?qū)ο蠹夹g(shù)（OOP）

客戶機(jī)/服務(wù)器模型

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

/數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的理論（80年代IBM提出）2023/2/224計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上幾次飛躍(應(yīng)用)

3發(fā)展階段代表性成果標(biāo)志性成就硬件軟件應(yīng)用說(shuō)明第三次飛躍網(wǎng)絡(luò)與多媒體DECnet/IBMLAN/Ethernet

（網(wǎng)絡(luò)）1984,Macintosh機(jī)

(多媒體)1986.Philip與Sony,CD-ROM

1987.,RCA公司，DVI（DigitalVideoInteractive）系統(tǒng)VR

（虛擬現(xiàn)實(shí)）OODB

（面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)）多種圖像格式與壓縮算法Internet

多媒體Internet與多媒體的結(jié)合與無(wú)限發(fā)展2023/2/2251.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)為了描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，首先要清楚地區(qū)分計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組織兩個(gè)概念。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu):對(duì)涉及機(jī)器語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)人員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，更多的情況下是指計(jì)算機(jī)的外特性。這些屬性直接影響到程序的邏輯執(zhí)行，主要包括指令集、表示各種數(shù)據(jù)類型的比特?cái)?shù)、I/O機(jī)制以及內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)等。計(jì)算機(jī)組成:計(jì)算機(jī)各部件的具體組成以及它們之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性。從這一點(diǎn)上，計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)2023/2/2261.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常包括硬件和軟件兩大部分，僅有硬件或者僅有軟件，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不能正常工作，只有兩者互相配合才能實(shí)現(xiàn)特定功能。計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)既是分配軟硬件功能的一種模式描述，也是分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的較好方法

。一般將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)分為六層。2023/2/2271.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第三級(jí)2023/2/2281.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)微指令系統(tǒng)在采用微程序控制方式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來(lái)解釋微程序指令。每條機(jī)器指令的功能均由微程序?qū)崿F(xiàn)，指令的執(zhí)行過(guò)程就是微程序的執(zhí)行過(guò)程。傳統(tǒng)機(jī)器只能識(shí)別機(jī)器語(yǔ)言，不能立刻運(yùn)行程序指令。操作系統(tǒng)語(yǔ)言機(jī)器由管理計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源的各種系統(tǒng)軟件組成。操作系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展正逐漸成為系統(tǒng)軟件的核心。匯編語(yǔ)言機(jī)器使用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，用戶用匯編編寫的程序可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器采用編譯程序或解釋程序?qū)⒏呒?jí)語(yǔ)言翻譯成匯編語(yǔ)言，所以用戶用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序也以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器將面向各種不同應(yīng)用的專用程序翻譯成高級(jí)語(yǔ)言。從上面可以看出，在計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)的六層結(jié)構(gòu)中，最下面的兩層屬于硬件，其余四層為軟件。2023/2/2291.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計(jì)算機(jī)硬件的基本組成。從外觀上看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分主要由主機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等組成；從邏輯功能上看，可以分為控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五個(gè)部分，一般地又把運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)

。運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件，其主要功能是執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算并暫時(shí)存放中間結(jié)果；控制器是計(jì)算機(jī)中控制指令執(zhí)行的部件，向計(jì)算機(jī)各功能部件提供每一時(shí)刻運(yùn)行所需控制信號(hào)，主要功能是從內(nèi)存中取出一條指令，指出下一條指令在內(nèi)存中位置，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)操作控制信號(hào)；指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。

2023/2/2301.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計(jì)算機(jī)硬件的基本組成。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件。計(jì)算機(jī)中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，使得計(jì)算機(jī)有了記憶功能，并能保證計(jì)算機(jī)正常工作。按用途存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)和輔助存儲(chǔ)器(外存)。內(nèi)存指主板上的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，僅用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失；外存是大容量、永久性存儲(chǔ)器，以彌補(bǔ)內(nèi)存的不足，如磁帶、磁盤、光盤等。

2023/2/2311.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計(jì)算機(jī)硬件的基本組成。計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和輔助存儲(chǔ)器等。輸入設(shè)備(InputDevice):向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。是計(jì)算機(jī)與用戶或其他設(shè)備通信的橋梁。計(jì)算機(jī)能夠接收各種各樣的數(shù)據(jù)，如數(shù)值、符號(hào)、圖形、圖像、聲音等。輸出設(shè)備(OutputDevice):人與計(jì)算機(jī)交互的部件，用于數(shù)據(jù)的輸出。把各種計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來(lái)。常見的有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、影像輸出系統(tǒng)、語(yǔ)音輸出系統(tǒng)、磁記錄設(shè)備等

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2023/2/2321.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計(jì)算機(jī)硬件的基本組成。計(jì)算機(jī)內(nèi)各部件間來(lái)往的信號(hào)可分成三種類型，即地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。通常這些信號(hào)是通過(guò)總線傳送的。2023/2/2331.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.2計(jì)算機(jī)軟件的分類。計(jì)算機(jī)軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和文檔。

程序是對(duì)計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)象和處理規(guī)則的描述；

文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。計(jì)算機(jī)軟件按面向?qū)ο蟛煌煞譃閮深悾?1)系統(tǒng)軟件：用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、管理系統(tǒng)的軟件，為了便于人們使用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計(jì)算機(jī)正確高效地運(yùn)行。常用的系統(tǒng)軟件有：操作系統(tǒng)、編譯器、解釋器、匯編器等。(2)應(yīng)用軟件：面向用戶的、針對(duì)某種特定應(yīng)用而開發(fā)的軟件。這類軟件通常是實(shí)現(xiàn)用戶的某類需求。如安裝在操作系統(tǒng)下的各類應(yīng)用軟件，用于企業(yè)的各類資源管理軟件。

2023/2/2341.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.3計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程。程序是由一系列的機(jī)器指令構(gòu)成，是一個(gè)特定的指令序列，指令則就是一組二進(jìn)制信息的代碼。計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是將編制好的程序經(jīng)過(guò)輸入設(shè)備存放到主存儲(chǔ)器中，并將程序存放的首地址傳送到控制器中，它首先將指令從存儲(chǔ)器讀到指令寄存器，稱為取指階段。接著，它分析這條指令，指出指令要完成的操作，并指明操作數(shù)的地址，這個(gè)階段成為分析階段。最后根據(jù)指令分析的結(jié)果完成某種操作，稱為執(zhí)行階段。計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是取指令、分析指令、執(zhí)行指令，如此周而復(fù)始的過(guò)程

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2023/2/2351.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)由其體系結(jié)構(gòu)、采用的器件、外圍設(shè)備配置以及系統(tǒng)軟件資源等多方面因素決定。衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的好壞，要綜合多項(xiàng)指標(biāo)。本節(jié)主要討論計(jì)算機(jī)硬件的性能指標(biāo)。2023/2/2361.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.1機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)是指CPU一次能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，實(shí)際上指該計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器的位數(shù)。如某機(jī)器字長(zhǎng)32位，表示該機(jī)器中，每次能完成兩個(gè)32位二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算。通常，機(jī)器字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力越強(qiáng)，其運(yùn)算精度也越高。例如，酷睿i系列CPU的機(jī)器字長(zhǎng)為64位。通常稱處理字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一時(shí)間內(nèi)處理字長(zhǎng)為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。字長(zhǎng)總是8的整數(shù)倍，早期的微機(jī)字長(zhǎng)一般是8位和16位，386以及更高的處理器大多是32位。目前市面上計(jì)算機(jī)的處理器大部分已達(dá)到64位，但目前操作系統(tǒng)大多是32位的，很多時(shí)候，在32位軟件系統(tǒng)中64位字長(zhǎng)的CPU只能當(dāng)32位用。2023/2/2371.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度CPU的主頻(f)，即CPU內(nèi)部的工作頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度，與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力并沒(méi)有直接關(guān)系，但與CPU實(shí)際的運(yùn)算速度存在一定的關(guān)系。主頻僅是CPU性能表現(xiàn)的一個(gè)方面，不能代表CPU整體性能。除了CPU主頻之外，還有一種工作頻率，稱為外部工作頻率，簡(jiǎn)稱外頻。它是由主板為CPU提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，它表示的是系統(tǒng)總線的工作頻率；而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者是密切關(guān)系：主頻=外頻×倍頻。2023/2/2381.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度FSB:前端總線,指CPU與北橋芯片間的數(shù)據(jù)傳輸總線。FSB頻率一般是外頻的若干倍，如對(duì)于P4，F(xiàn)SB頻率=CPU外頻*4,現(xiàn)在主流主板中常見的FSB有1333M、800M、533M、400M和333M等幾種。右圖為典型芯片組規(guī)劃2023/2/2391.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度時(shí)鐘周期(T):CPU內(nèi)部時(shí)鐘頻率的倒數(shù)，這是CPU執(zhí)行操作的最小時(shí)間元素。每個(gè)動(dòng)作至少需要一個(gè)時(shí)鐘周期。以PC微處理器為例，8086和8088執(zhí)行一條指令平均需12個(gè)時(shí)鐘周期，80286和80386速度提高，每條指令約需4.5個(gè)時(shí)鐘周期；80486的每條指令大約2個(gè)時(shí)鐘周期；Pentium具有雙指令流水線，每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行1～2條指令；PentuimPro、PentiumII/III每個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行3條或更多條指令。CPU的主頻與CPU時(shí)鐘周期互為倒數(shù)，即f=1/T

。2023/2/2401.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度CPU執(zhí)行時(shí)間表示CPU執(zhí)行某段程序所需的時(shí)間，通常用tCPU表示?？梢杂孟率奖硎荆?/p>

CPU執(zhí)行時(shí)間＝CPU時(shí)鐘周期數(shù)×CPU時(shí)鐘周期長(zhǎng)

CPI(CyclesPerInstruction)表示執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)。計(jì)算公式如下：2023/2/2411.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度MIPS（MillionInstructionsPerSecond）：每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)條指令，定義為：

MFLOPS（MillionFloating-pointOpereationPerSecond）：每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算。定義為：2023/2/2421.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度[例1.1]用一臺(tái)40MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)如表1.2所示。求：有效CPI、MIPS速率、程序執(zhí)行時(shí)間tCPU。指令類型指令數(shù)平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算150002控制傳送800022023/2/2431.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.2運(yùn)算速度[例1.1]解：=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(45000+32000+15000+8000)=1.55(周期/指令)MIPS=f/(CPI×106)=(40×106)/(1.55×106)=25.81(百萬(wàn)條指令/秒)T=1/f=1/(40×106)(秒)tCPU=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40×106)=3.875×103(秒)2023/2/2441.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3.3吞吐量和響應(yīng)時(shí)間計(jì)算機(jī)范疇下的吞吐量分為兩種：一種是網(wǎng)絡(luò)范疇下的吞吐量，它是指在沒(méi)有幀丟失的情況下，設(shè)備能夠接受的最大速度。它的大小主要是由防火墻內(nèi)網(wǎng)卡，及程序算法的效率決定的；另一種是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的吞吐量，它是在單位時(shí)間內(nèi)CPU從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取、處理、存儲(chǔ)信息的量，單位是字節(jié)/秒(B/S)，影響因素主要有存儲(chǔ)設(shè)備的存取速度和CPU的性能，如主頻、CPI等。響應(yīng)時(shí)間指用戶發(fā)出請(qǐng)求或指令到系統(tǒng)做出反應(yīng)(響應(yīng))的時(shí)間。

2023/2/2451.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，種類繁多并表現(xiàn)出各自不同的特點(diǎn)，可以從不同的角度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。按計(jì)算機(jī)信息的表示形式和對(duì)信息的處理方式分類(1)數(shù)字計(jì)算機(jī)：該類計(jì)算機(jī)輸入、處理、輸出和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)在時(shí)間上是離散的。(2)模擬計(jì)算機(jī)：該類計(jì)算機(jī)輸入、處理、輸出和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都是模擬量，這些數(shù)據(jù)在時(shí)間上是連續(xù)的。模擬計(jì)算機(jī)解題速度快，適于解高階微分方程，在模擬計(jì)算和控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。模擬計(jì)算機(jī)由于受元器件質(zhì)量影響，其計(jì)算精度較低，應(yīng)用范圍較窄。2023/2/2461.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類按照計(jì)算機(jī)的用途分類

(1)通用計(jì)算機(jī)：為能解決各種問(wèn)題，具有較強(qiáng)的通用性而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。它具有一定的運(yùn)算速度，有一定的存儲(chǔ)容量，帶有通用的外部設(shè)備，配備各種系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。一般的數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)多屬此類。(2)專用計(jì)算機(jī)：為解決某個(gè)或某類特定問(wèn)題而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。它的硬件和軟件的配置依據(jù)解決特定問(wèn)題的需要而定，并不求全。專用機(jī)功能單一，配有解決特定問(wèn)題的固定程序，能高速、可靠地解決特定問(wèn)題。2023/2/2471.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類按照計(jì)算機(jī)規(guī)模、速度和功能分類

(1)巨型機(jī)：又稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，是指運(yùn)算速度超過(guò)每秒1億次的高性能計(jì)算機(jī)，它是目前功能最強(qiáng)、速度最快、軟硬件配套齊備、價(jià)格最貴的計(jì)算機(jī)，主要用于解決諸如氣象、太空、能源、醫(yī)藥等尖端科學(xué)研究和戰(zhàn)略武器研制中的復(fù)雜計(jì)算。它們安裝在國(guó)家高級(jí)研究機(jī)關(guān)中，可供幾百個(gè)用戶同時(shí)使用。(2)大型機(jī)：這種計(jì)算機(jī)也有很高的運(yùn)算速度和很大的存儲(chǔ)量并允許相當(dāng)多的用戶同時(shí)使用。當(dāng)然在量級(jí)上都不及巨型計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)上也較巨型機(jī)簡(jiǎn)單些，價(jià)格相對(duì)巨型機(jī)要便宜，因此使用的范圍較巨型機(jī)普遍，是事務(wù)處理、商業(yè)處理、信息管理、大型數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)通信的主要支柱。2023/2/2481.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類按照計(jì)算機(jī)規(guī)模、速度和功能分類

(3)小型機(jī)：其規(guī)模和運(yùn)算速度比大中型機(jī)要差，但仍能支持十幾個(gè)用戶同時(shí)使用。小型機(jī)具有體積小、價(jià)格低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適合中小企業(yè)、事業(yè)單位用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、企業(yè)管理以及科學(xué)計(jì)算等，也可做巨型機(jī)或大中型機(jī)的輔助機(jī)。(4)微型機(jī)：微型機(jī)是當(dāng)今使用最普及、產(chǎn)量最大的一類計(jì)算機(jī)，它的體積小、功耗低、成本少、靈活性大，性能價(jià)格比明顯地優(yōu)于其他類型計(jì)算機(jī)，因而得到了廣泛應(yīng)用。2023/2/2491.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)分類。1966年，美國(guó)MichaelFlynn教授從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的并行性出發(fā)，提出按指令流的多倍性和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類的方法。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，有兩種信息在流動(dòng)：一種信息是計(jì)算機(jī)指令，它從存儲(chǔ)器流入控制器并成為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)；另一種是數(shù)據(jù)，它從輸入設(shè)備流入存儲(chǔ)器，再流入執(zhí)行部件，如運(yùn)算器，運(yùn)算結(jié)果流入存儲(chǔ)器或輸出設(shè)備。因此根據(jù)指令流與數(shù)據(jù)流的不同組合，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為四類。2023/2/2501.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)分類。(1)單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)結(jié)構(gòu)：是指?jìng)鹘y(tǒng)的順序執(zhí)行的處理器，它由單一控制器、單一執(zhí)行部件和單一存儲(chǔ)器組成?？刂破髅看沃粚?duì)一條指令譯碼，執(zhí)行部件每次只對(duì)單一數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。(2)單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)結(jié)構(gòu)：是指單一控制器、多個(gè)執(zhí)行部件和多個(gè)存儲(chǔ)模塊組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制部件每次只對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼，并向多個(gè)執(zhí)行部件發(fā)出相同的控制命令，使多個(gè)執(zhí)行部件執(zhí)行相同的操作，此即單指令流的含義。而每個(gè)執(zhí)行部件加工的對(duì)象是從不同存儲(chǔ)模塊中取出來(lái)的數(shù)據(jù)，此即多數(shù)據(jù)流的含義。2023/2/2511.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1計(jì)算機(jī)的分類按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)分類。(3)多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)結(jié)構(gòu)：是指多個(gè)控制器、多個(gè)執(zhí)行部件對(duì)單一數(shù)據(jù)同時(shí)執(zhí)行不同的指令，用的較少。(4)多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)結(jié)構(gòu)：是指多個(gè)處理器系統(tǒng)，由多個(gè)控制器、多個(gè)執(zhí)行部件和多個(gè)存儲(chǔ)模塊組成。MIMD結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是大多數(shù)高性能并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。由多個(gè)互相連接的處理器構(gòu)成，又稱為并行處理器系統(tǒng)。這種計(jì)算機(jī)中的每個(gè)處理器在各自程序的控制下運(yùn)行，對(duì)各自的數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行協(xié)作運(yùn)算，形成多個(gè)指令流和多個(gè)數(shù)據(jù)流。各處理器既可相同，也可不完全相同，分別構(gòu)成同構(gòu)型和異構(gòu)型并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2023/2/2521.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到社會(huì)的各行各業(yè)，推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：科學(xué)計(jì)算(或數(shù)值計(jì)算)科學(xué)計(jì)算是指利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問(wèn)題的計(jì)算。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)工作中，科學(xué)計(jì)算問(wèn)題計(jì)算量大，復(fù)雜性高。利用計(jì)算機(jī)高速計(jì)算、大存儲(chǔ)容量和連續(xù)運(yùn)算的能力，可實(shí)現(xiàn)人工無(wú)法解決的各種科學(xué)計(jì)算問(wèn)題。例如，在天文學(xué)、量子化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、核物理學(xué)等領(lǐng)域，需要依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。在軍事上，導(dǎo)彈的發(fā)射及飛行軌道的計(jì)算控制、先進(jìn)防空系統(tǒng)等現(xiàn)代化軍事設(shè)施通常都是由計(jì)算機(jī)控制的大系統(tǒng)?，F(xiàn)代航空、航天技術(shù)發(fā)展，例如超音速飛行器的設(shè)計(jì)，人造衛(wèi)星與運(yùn)載火箭軌道計(jì)算更是離不開計(jì)算機(jī)。2023/2/2531.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理(或信息處理)

數(shù)據(jù)處理是指對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、整理、分類、統(tǒng)計(jì)、加工、利用、傳播等一系列活動(dòng)的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80％以上的計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，決定計(jì)算機(jī)應(yīng)用主導(dǎo)方向。例如，在銀行系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)處理儲(chǔ)戶的存款、取款、發(fā)放工資，或?yàn)樾庞每ㄏ到y(tǒng)、銷售點(diǎn)系統(tǒng)提供服務(wù)等。在企業(yè)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于財(cái)會(huì)與經(jīng)營(yíng)管理中，如編制生產(chǎn)計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、成本核算、銷售分析、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、利潤(rùn)預(yù)估、采購(gòu)訂貨、庫(kù)存管理、工資管理等。2023/2/2541.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域輔助技術(shù)（CAD、CAM和CAI等）

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign,簡(jiǎn)稱CAD)：計(jì)算機(jī)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)效果的一種技術(shù)。它已廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、機(jī)械、電子、建筑等領(lǐng)域。例如，在電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用CAD技術(shù)進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)模擬、邏輯模擬、插件劃分、自動(dòng)布線等，從而大大提高了設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度。2023/2/2551.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域輔助技術(shù)（CAD、CAM和CAI等）

計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing,簡(jiǎn)稱CAM)：是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過(guò)程。例如，在產(chǎn)品的制造過(guò)程中，用計(jì)算機(jī)控制機(jī)器的運(yùn)行，處理生產(chǎn)過(guò)程中所需的數(shù)據(jù)，控制和處理材料的流動(dòng)以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)等。使用CAM技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件。將CAD和CAM技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)自動(dòng)化，這種技術(shù)被稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。它的實(shí)現(xiàn)將真正做到無(wú)人化工廠(或車間)。2023/2/2561.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域輔助技術(shù)（CAD、CAM和CAI等）

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ComputerAidedInstruction,簡(jiǎn)稱CAI)：是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用課件來(lái)進(jìn)行教學(xué)。課件可以用著作工具或高級(jí)語(yǔ)言來(lái)開發(fā)制作，它能引導(dǎo)學(xué)生循環(huán)漸進(jìn)地學(xué)習(xí)，使學(xué)生輕松自如地從課件中學(xué)到所需要的知識(shí)。CAI的主要特色是交互教育、個(gè)別指導(dǎo)和因人施教

。2023/2/2571.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)程控制(或?qū)崟r(shí)控制)

過(guò)程控制是利用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值迅速地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)或自動(dòng)控制。最初過(guò)程控制主要用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)等航空航天領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)靈敏、精確控制，使得這些領(lǐng)域內(nèi)工作能準(zhǔn)確完成。在現(xiàn)代工廠里，計(jì)算機(jī)普遍用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，例如，在化工廠中用計(jì)算機(jī)來(lái)控制配料、溫度、閥門的開閉等；在煉鋼車間用計(jì)算機(jī)控制加料、爐溫、冶煉時(shí)間等；這使許多生產(chǎn)領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，實(shí)現(xiàn)精確控制，獲得更高生產(chǎn)效率。用于過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)，一般都是實(shí)時(shí)控制，對(duì)計(jì)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。2023/2/2581.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域人工智能

人工智能(ArtificialIntelligence)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能研究的主要內(nèi)容包括知識(shí)表示、自動(dòng)推理和搜索方法、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)獲得、知識(shí)處理、自然語(yǔ)言理解、計(jì)算機(jī)視覺和智能機(jī)器人等?，F(xiàn)在人工智能的研究與應(yīng)用在模式識(shí)別、自然語(yǔ)言的理解和生成、博弈、自動(dòng)定理證明、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、機(jī)器人等領(lǐng)域得到發(fā)展。人工智能將計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提高到一個(gè)更高的層次，為計(jì)算機(jī)的推廣與應(yīng)用開拓出嶄新的領(lǐng)域

。2023/2/2591.4計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的一種模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，達(dá)到用戶與環(huán)境直接進(jìn)行交互的目的。這種虛擬環(huán)境是用計(jì)算機(jī)構(gòu)成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一種特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)寫照，也可以是純粹構(gòu)想出來(lái)的世界。這類技術(shù)雖然早在20世紀(jì)60年代初就開始研究，但只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，各種傳感設(shè)備及計(jì)算機(jī)價(jià)格不斷降低，軟件系統(tǒng)日趨完善，如實(shí)時(shí)三維圖形生產(chǎn)及顯示、三維聲音定位與合成等技術(shù)的發(fā)展，才有可能使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲得迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事、教育、航天、航空、娛樂(lè)、生活中的應(yīng)用不僅會(huì)改變?nèi)藗兊乃季S方式和生活方式，還必將導(dǎo)致一場(chǎng)重大的技術(shù)革命。2023/2/260著名數(shù)學(xué)家華羅庚是提倡在我國(guó)開展電子計(jì)算機(jī)科研的第一人。他于1950年回國(guó)后不久，就向中央提出開展電