计算机系统

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[外文]：computersystem按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。计算机是脑力的延伸和扩充，是近代科学的重大成就之一。计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成。前者是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统赖以工作的实体。后者是各种程序和文件，用于指挥全系统按指定的要求进行工作。自1946年第一台电子计算机问世以来，计算机技术在元件器件、硬件系统结构、软件系统、应用等方面，均有惊人进步。现代计算机系统小到微型计算机和个人计算机，大到巨型计算机及其网络，形态、特性多种多样，已广泛用于科学计算、事务处理和过程控制，日益深入社会各个领域，对社会的进步产生深刻影响。电子计算机分数字和模拟两类。通常所说的计算机均指数字计算机，其运算处理的数据，是用离散数字量表示的。而模拟计算机运算处理的数据是用连续模拟量表示的。模拟机和数字机相比较，其速度快、与物理设备接口简单，但精度低、使用困难、稳定性和可靠性差、价格昂贵。故模拟机已趋淘汰，仅在要求响应速度快，但精度低的场合尚有应用。把二者优点巧妙结合而构成的混合型计算机，尚有一定的生命力。特点计算机系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断，而且通用性好，使用容易，还能联成网络。（1）计算：一切复杂的计算，几乎都可用计算机通过算术运算和逻辑运算来实现。（2）判断：计算机有判别不同情况、选择作不同处理的能力，故可用于管理、控制、对抗、决策、推理等领域。（3）存储：计算机能存储巨量信息。（4）精确：只要字长足够，计算精度理论上不受限制。（5）快速：计算机一次操作所需时间已小到以纳秒计。（6）通用：计算机是可编程的，不同程序可实现不同的应用。（7）易用：丰富的高性能软件及智能化的人-机接口，大大方便了使用。（8）联网：多个计算机系统能超越地理界限，借助通信网络，共享远程信息与软件资源。组成图1为计算机系统的层次结构。内核是硬件系统，是进行信息处理的实际物理装置。最外层是使用计算机的人，即用户。人与硬件系统之间的接口界面是软件系统，它大致可分为系统软件、支援软件和应用软件三层。硬件系统主要由中央处理器、存储器、输入输出控制系统和各种外部设备组成。中央处理器是对信息进行高速运算处理的主要部件，其处理速度最高可达每秒几亿次操作。存储器用于存储程序、数据和文件，常由快速的主存储器（容量可达数百兆字节）和慢速海量辅助存储器（容量可达1011字节以上）组成。各种输入输出外部设备是人机间的信息转换器，由输入-输出控制系统管理外部设备与主存储器(中央处理器)之间的信息交换。软件系统的最内层是系统软件，它由操作系统、实用程序、编译程序等组成。操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制。实用程序是为方便用户所设，如文本编辑等。编译程序的功能是把用户用汇编语言或某种高级语言所编写的程序，翻译成机器可执行的机器语言程序。支援软件有接口软件、工具软件、环境数据库等，它能支持用机的环境，提供软件研制工具。支援软件也可认为是系统软件的一部分。应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序，它借助系统软件和支援软件来运行，是软件系统的最外层。分类计算机系统可按系统的功能、性能或体系结构分类。（1）专用机与通用机:早期计算机均针对特定用途而设计，具有专用性质。60年代起，开始制造兼顾科学计算、事务处理和过程控制三方面应用的通用计算机。特别是系列机的出现，标准文本的各种高级程序语言的采用，操作系统的成熟，使一种机型系列选择不同软件、硬件配置，就能满足各行业大小用户的不同需要，进一步强化了通用性。但特殊用途的专用机仍在发展，例如连续动力学系统的全数字仿真机，超微型的空间专用计算机等。（2）巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机:计算机是以大、中型机为主线发展的。60年代末出现小型计算机，70年代初出现微型计算机，因其轻巧、价廉、功能较强、可靠性高，而得到广泛应用。70年代开始出现每秒可运算五千万次以上的巨型计算机，专门用于解决科技、国防、经济发展中的特大课题。巨、大、中、小、微型机作为计算机系统的梯队组成部分，各有其用途，都在迅速发展。（3）流水线处理机与并行处理机:在元件、器件速度有限的条件下，从系统结构与组织着手来实现高速处理能力，成功地研制出这两种处理机。它们均面向ɑiθbi=ci（i＝1，2，3，…，n；θ为算符）这样一组数据（也叫向量）运算。流水线处理机是单指令数据流(SISD)的，它们用重叠原理，用流水线方式加工向量各元素，具有高加工速率。并行处理机是单指令流多数据流(SIMD)的，它利用并行原理，重复设置多个处理部件，同时并行处理向量各元素来获得高速度(见并行处理计算机系统)。流水和并行技术还可结合，如重复设置多个流水部件，并行工作，以获得更高性能。研究并行算法是发挥这类处理机效率的关键。在高级程序语言中相应地扩充向量语句，可有效地组织向量运算；或设有向量识别器，自动识别源程序中的向量成分。一台普通主机(标量机)配一台数组处理器（仅作高速向量运算的流水线专用机），构成主副机系统，可大大提高系统的处理能力，且性能价格比高，应用相当广泛。（4）多处理机与多机系统、分布处理系统和计算机网：多处理机与多机系统是进一步发展并行技术的必由之路，是巨型、大型机主要发展方向。它们是多指令流多数据流(MIMD)系统，各机处理各自的指令流(进程)，相互通信，联合解决大型问题。它们比并行处理机有更高的并行级别，潜力大，灵活性好。用大量廉价微型机，通过互连网络构成系统，以获得高性能，是研究多处理机与多机系统的一个方向。多处理机与多机系统要求在更高级别（进程）上研究并行算法，高级程序语言提供并发、同步进程的手段，其操作系统也大为复杂，必须解决多机间多进程的通信、同步、控制等问题。分布系统是多机系统的发展，它是由物理上分布的多个独立而又相互作用的单机，协同解决用户问题的系统，其系统软件更为复杂（见分布计算机系统）。现代大型机几乎都是功能分布的多机系统，除含有高速中央处理器外，有管理输入输出的输入输出处理机（或前端用户机）、管理远程终端及网络通信的通信控制处理机、全系统维护诊断的维护诊断机和从事数据库管理的数据库处理机等。这是分布系统的一种低级形态。多个地理上分布的计算机系统，通过通信线路和网络协议，相互联络起来，构成计算机网。它按地理上分布的远近，分为局部（本地）计算机网和远程计算机网。网络上各计算机可相互共享信息资源和软硬件资源。订票系统、情报资料检索系统都是计算机网应用的实例。（5）诺伊曼机与非诺伊曼机：存储程序和指令驱动的诺伊曼机迄今仍占统治地位。它顺序执行指令，限制了所解问题本身含有的并行性，影响处理速度的进一步提高。突破这一原理的非诺伊曼机，就是从体系结构上来发展并行性，提高系统吞吐量，这方面的研究工作正在进行中。由数据流来驱动的数据流计算机以及按归约式控制驱动和按需求驱动的高度并行计算机，都是有发展前途的非诺伊曼计算机系统。工作流程用户使用计算机系统算题的一般流程如图2。（1）通过系统操作员建立帐号，取得使用权。帐号既用于识别并保护用户的文件（程序和数据），也用于系统自动统计用户使用资源的情况(记帐，付款)。（2）根据要解决的问题，研究算法，选用合适的语言，编写源程序，同时提供需处理的数据和有关控制信息。（3）把②的结果在脱机的专用设备上放入软磁盘，建立用户文件（也可在联机终端上进行，直接在辅助存储器中建立文件，此时第四步省去）。（4）借助软盘机把软盘上用户文件输入计算机，经加工处理，作为一个作业，登记并存入辅助存储器。（5）是要求编译。操作系统把该作业调入主存储器，并调用所选语言的编译程序，进行编译和连接（含所调用的子程序），产生机器可执行的目标程序，存入辅助存储器。（6）要求运算处理。操作系统把目标程序调入主存储器，由中央处理器运算处理，结果再存入辅助存储器。（7）运算结果由操作系统按用户要求的格式送外部设备输出。计算机内部工作（④～⑦）是在操作系统控制下的一个复杂过程。通常，一台计算机中有多个用户作业同时输入，它们由操作系统统一调度，交错运行。但这种调度对用户是透明的，一般用户无需了解其内部细节。用户可用一台终端，交互式的控制③～⑦的进行(分时方式)；也可委托操作员完成③～⑦，其中④～⑦是计算机自动进行的（批处理方式）。批处理方式的自动化程度高，但用户不直观，无中间干预。分时方式用户直观控制，可随时干预纠错，但自动化程度低。现代计算机系统大多提供两种方式，由用户选用。展望计算机系统约每3～5年更新一次，性能价格比成十倍地提高，体积大幅度减小。超大规模集成电路技术将继续快速发展，并对各类计算机系统均产生巨大而又深刻的影响。32位微型机已出现，64位微型机也将问世，单片上做1000万个元件已为时不远。比半导体集成电路快10～100倍的器件，如砷化镓、高电子迁移率器件、约瑟夫逊结、光元件等的研究将会有重要成果。提高组装密度和缩短互连线的微组装技术是新一代计算机的关键技术之一。光纤通信将大量应用。各种高速智能化外部设备不断涌现，光盘的问世将使辅助海量存储器面目一新。多处理机系统、多机系统、分布处理系统将是引人注目的系统结构。软件硬化（称固件）是发展趋势。新型非诺伊曼机、推理计算机、知识库计算机等已开始实际使用。软件开发将摆脱落后低效状态。软件工程正在深入发展。软件生产正向工程化、形式化、自动化、模块化、集成化方向发展。新的高级语言如逻辑型语言、函数型语言和人工智能的研究将使人－机接口简单自然（能直接看、听、说、画）。数据库技术将大为发展。计算机网络将广泛普及。以巨大处理能力（例如每秒100～1000亿次操作）、巨大知识信息库、高度智能化为特征的下一代计算机系统正在大力研制。计算机应用将日益广泛。计算机辅助设计、计算机控制的生产线、智能机器人将大大提高社会劳动生产力。办公、医疗、通信、教育及家庭生活，都将计算机化。计算机对人们生活和社会组织的影响将日益广泛深刻。