[ 第一章 ] 计算机系统概论

第一章 计算机系统概论

１.１计算机的语言

科学技术的发展导致了计算机的诞生。热门常用语言或文字来表达思想，交流经验、互相通信。人类交流所用的语言称为自然语言，但是当前的计算机还不具备理解自然语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言接近，并能为计算机接收的语言，这种语言被称为计算机高级语言。

目前通用计算机不会直接执行高级语言编写的程序，而是先将其翻译成机器能执行的语言，称为机器语言，再在机器上运行，因此，解题的过程可归结如下。

1》程序员用高级语言编写程序

2》将程序输入计算机，由计算机编译成机器语言，保存在计算机的存储器中。

3》运行程序，输出结果。

存储器是计算机中可以存放原始程序，数据，运算结果的设备。存储器由一个个单元组成，每个单元有自己的编号，成为该单元的地址。数据和程序以二进制编码的形式存放在存储器中。计算机执行的程序由命令组成，因此计算机执行程序的过程，实际上是按照给定次序执行一组指令的过程。

一条指令通常分为两部分。

1》操作码。规定该指令执行什么样的操作

2》地址码。规定对那些数据进行运算，通常表示的是数据地址，因此被称为地址码。

1.2 计算机的硬件  

组成计算机的基本部件有 中央处理器（cpu，运算器，控制器），存储器和输入输出设备。

输入设备：用来输入原始数据和处理这些数据的程序。

输出设备：用来输出计算机的处理结果，可以是数字，字母，表格和图形等。

存储器：存放数据和程序，是计算机各种信息的存储和交流中心。

CPU：早期的计算机中分成运算器和控制器两部分，由于集成电路程度的提高，已经把他们集成到一个芯片当中。

运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的事算数运算和逻辑运算；控制器用来实现计算及运行过程的自动化，即实现程序的自动运行。

1.3 计算机系统的层次结构

现代计算机的阶梯过程一般是，用户用高级语言编写程序，连同数据一起送入计算机，然后由计算机将其翻译成机器语言，在计算机上输出结果；

1.4 电子计算机的发展简史

电子计算机的发展，如果从第一台计算机的问世算起，到现在才六十年，在人类科技史上还没有一种学科可以与电子计算机的发展之快相提并论。

20世纪40年代：第一台计算机ENIAC, 1946年开始使用；同时 冯诺依曼与莫尔小组合作研制EDVAC 计算机，采用存储程序的方案，以后其开发的计算机都采用这种方式，成为冯诺依曼计算机，一般认为冯诺依曼计算机具有如下特点：

1》计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五部分组成。

2》采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

3》数据以二进制码表示。

4》指令有操作码和地址码组成。

5》指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可以按运算结果或外界条件而改变。

6》机器已运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传输通过运算器。

60多年来对冯诺依曼的机做了很多改革，根据所采用的物理器件的发展，一般把电子计算机的发展分为四个阶段，习惯上称为四代，相邻两呆在时间上有重叠。

第一代：电子管计算机时代（1946-50年代后期）

第二代：晶体管计算机时代（50年代中期-60年代后期）

第三代：集成电路计算机时代（60年代中期-70年代前期），主要特点是通用化，系列化，标准化。

第四代：大规模集成电路计算机。

随着大规模集成电路的迅速发展，计算机进入大发展时期，在器件方面仍然使用大规模集成电路，有 大型机、巨型机、小型机、微型机、工作站、联机系统和计算机网络。

1.5 计算机的应用

科学计算，数据处理，计算机控制，计算机辅助设计/计算机辅助制造，人工智能，嵌入式应用

1.6 计算机网络

计算机技术和通信技术的结合，产生了计算机网络。

凡是地理位置不用，并具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路相互连接起来，并配以功能完善的网络软件，实现资源共享的系统，成为“计算机网络”。

按照网络内连接的计算机的地域覆盖范围，可以将网络分成局域网，城域网和广域网。

1》局域网：网内所有计算机之间的距离比较短；网络中各个站点相互连接的方法和形式称为网络拓补结构。主要有星形，总线结构，环形结构。

2》广域网和网络协议

ISO/OSI : 为了将不同类型，不同操作系统的计算机互联起来形成计算机网络，实现资源共享，需要有一个共同遵守的协议或标准。国际标准化组织提出了“开放系统互联基本参考模型”--OSI（Open System Inter-Connection-basic reference model）,即ISO/OSI 参考模型；

该模型将网络功能分成若干层次，包括应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据连接层，物理层

假设A机要向B机传送文件，

A机:  应用层：提出要求-->表示层：分析信息，重新编码 -->会话层：管理和控制，分段信息 --> 传输层：检测分段数据，对信息再分段为“报文” --> 网络层：将报文分组 -->链路层：将分组分成更小的帧 -->物理层：传输

B机：物理层：接收数据 --》》链路层：处理帧传输中的差错，如有错--》》网络层：将帧重新组成分组 --》》传输层：将分组组成“报文”，并检查报文是否有错，如有则要求对反重发 --》》会话层：撤去检测信息 --》》表示层：将信息从网络的统一编码形式转换为本机的编码 --》》应用层：实现服务。

TCP/IP 是网络互联协议，分为四个层次：

1》应用层：向用户提供应用程序，例如电子邮件，文件传输访问等。根据应用层数据格式选用数据格式，形成报文，递交给传输层。或接受传输层发来的报文。

2》传输层：对应用层传下来的报文进行分组，增加校验码和标识码，接收端以此来校验分组的正确性；接收从网络层传来的分组，必须发回确认信息，如果发现传输有错，则要求重新发送该分组。

3》网络层：IP 的基本任务是传送数据报。接收传输层发来的请求发送的报文分组时，IP 将该报文分组封装在一个IP 数据报中，再填好数据报报头，并确定该数据报是够送到本网络中的计算机中；接收物理层送来的数据报，递交给传输层。

4》物理层：由硬件实现数据的传送

Internet

1. IP地址：

2. 提供的服务：电子邮件，文件传输，远程登录，电子公告，信息浏览和检索

网络互连设备：是一种用来将两个或多个计算机网络或网络段连接起来的一种中间设备。

1.中继器（repeater）：具有信号放大，补偿，整形和转发等功能，主要用来扩展网络电缆的长度，链接网络段。也可以用来链接两个局域网，使之成为一个局域网。又称为转发器。

2.集线器-hub：局域网中，作为中心以链接各个计算机形成星型结构的网络互连设备。

3.网桥-bridge：用来链接两个或多个局域网，也可讲一个大局域网分成若干个小局域网；具有差错检验，寻址和路由选择等功能。采用存储转发的方式。

4.路由器-router：实现相同或不用类型网络的互联。

5.交换机-switcher：

6.网关-gateway : 在ISO/OSI 开放系统互联参考模型高层实现不同网络协议之间互相转换的设备，又称协议转换器。