计算机系统

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。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、软件系统及应用等方面，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。

计算机系统的组成

中国首台千万亿次超级计算机系统天河一号研制成功　　计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。　　硬件包括中央处理机、存储器和外部设备等；软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统具有接收和存储信息、按程序快速计算和判断并输出处理结果等功能。硬件是计算机系统的物质基础，没有硬件就不成其为计算机；软件是计算机的语言，没有软件的支持，计算机就无法使用。　　计算机硬件包括中央处理机、存储器和外部设备。中央处理机是计算机的核心部部件，由运算器的控制器两部分组成，主要功能是解释指令、控制指令执行、控制和管理机器运行状态，以及实时处理中央处理机内部和外部出现和各种应急事件。存储器分为主存储器和辅助存储器。主存储器的主要功能是存储信息和与中央处理机直接交换信息；辅助存储器包括磁盘机、磁带机和光盘机等，通常只与主存储器交换信息。外部设备包括输入和输出设备、转换设备、终端设备等，如键盘、打印机、绘图仪和鼠标器等。　　软件通常分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件最靠近硬件层，是计算机的基础软件，如操作系统、高级语言处理程序等。系统软件是计算机厂家预先设计好的。操作系统主要用于组织管理计算机系统的所有便件和软件资源，使之协调一致、高效地运行；高级语言处理程序包括编译程序和解释程序等。编译程序能将高级语言编写的源程序翻译成计算机执行的目标程序，解释程序是边解释边执行源程序。应用软件处于计算机系统的最外层，是按照某种特定的应用而编写的软件。　　20世纪90年代至21世纪初计算机技术的发展进入以开放系统及计算机风格为突出特征的崭新时代，正在逐步形成包括计算机系统体系结构、网络体系结构和应用体系结构的完整技术体系。各种计算机的结构，如精简指令系统计算机和大规模并行处理计算机的迅速发展，对计算机工业的发展和军事应用都将产生巨大的影响。

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。

计算机系统分类

　　　计算机系统可按系统的功能、性能或体系结构分类：

·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。

·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。

·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。

·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。　　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。

·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。

·弗林（Flynn）分类法

　　　弗林（Flynn）分类法是按指令流、数据流及其多倍性分类的。共分四类：　　1.SISD―指令部件只对一条指令处理，只控制一个操作部件操作。如一般的串行单处理机。　　2.SIMD―由单一指令部件同时控制多个重复设置的处理单元，执行同一指令下不同数据的操作。如阵列处理机。　　3.MISD―多个指令部件对同一数据的各个处理阶段进行操作。这种机器很少见。　　4.MIMD―多个独立或相对独立的处理机分别执行各自的程序、作业或进程。例如多处理机。