计算机系统结构的发展历史

计算机系统结构的发展历史
课程：计算机系统结构
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2013年9月8日
随着当今社会和科技的飞速发展，自四十年代计算机问世以来，计算机科学更是发展迅速，应用领域不断扩展计算机的普及和广泛应用，现代社会正朝着高度信息化，自动化方向发展。

计算机逐渐成为社会必不可少的支柱力量。

计算机系统是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。

计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

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。

而计算机系统结构是计算机的的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。

所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。

其也称为计算机体系结构，它是由计算机结构外特性，内特性，微外特性组成的。

经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。

程序设计者所见的计算机属性，着重于计算机的概念结构和功能特性，硬件、软件和固件子系统的功能分配及其界面的确定。

使用高级语言的程序设计者所见到的计算机属性，主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等的用户界面。

使用机器语言的程序设计者所见到的计算机属性，则是硬件子系统的概念结构(硬件子系统结构)及其功能特性，包括指令系统(机器语言)，以及寄存器定义、中断机构、输入输出方式、机器工作状态等。

硬件子系统的典型结构是冯·诺伊曼结构，它由运算器控制器、存储器和输入、输出设备组成，采用“指令驱动”方式。

当初，它是为解非线性、微分方程而设计的，并未预见到高级语言、操作系统等的出现，以及适应其他应用环境的特殊要求。

在相当长的一段时间内，软件子系统都是以这种冯·诺伊曼结构为基础而发展的。

但是，其间不相适应的情况逐渐暴露出来，从而推动了计算机系统结构的变革。

冯·诺依曼体系结构的特点又决定了数据、逻辑和显示是注定要分离的，并且分离的越彻底，健壮性和可扩展性就越高。

因为无论采用面向过程还是面向对象的编程方法，只要冯·诺依曼体系结构不发生变化，那么数据就注定要加载到存储器中、逻辑就注定要由处理器来控制、显示也必须让I/O中断来触发。

在计算机的发展历史长河中，架构设计越接近系统结构，那么健壮性和扩展性也就越强。

自然界的规律概莫如此，这和一个社会的制度越符合民众需求就越稳固是一样的道理。

在计算机科学的发展史上，计算机软件科学的发展围绕着这样一个趋势：如何对数据、逻辑和界面进行更深层次的抽象，使得人类可以更方便的控制存储器、
处理器和I/O设备，从而极大的提供人类的生产效率。

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。

计算机系统已经经历了四个不同的发展阶段。

60年代中期以前，是计算机系统发展的早期时代。

在这个时期通用硬件已经相当普遍，软件却是为每个具体应用而专门编写的，大多数人认为软件开发是无需预先计划的事情。

这时的软件实际上就是规模较小的程序，程序的编写者和使用者往往是同一个或同一组人。

由于规模小，程序编写起来相当容易，也没有什么系统化的方法，对软件开发工作更没有进行任何管理。

这种个体化的软件环境，使得软件设计往往只是在人们头脑中隐含进行的一个模糊过程，除了程序清单之外，根本没有其他文档资料保存下来。

从60年代中期到70年代中期，是计算机系统发展的第二代。

在这10年中计算机技术有了很大进步。

多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次。

实时系统能够从多个信息源收集、分析和转换数据，从而使得进程控制能以毫秒而不是分钟来进行。

在线存储技术的进步导致了第一代数据库管理系统的出现。

计算机系统发展的第二代的一个重要特征是出现了“软件作坊”，广泛使用产品软件。

但是，“软件作坊”基本上仍然沿用早期形成的个体化软件开发方法。

随着计算机应用的日益普及，软件数量急剧膨胀。

在程序运行时发现的错误必须设法改正；用户有了新的需求时必须相应地修改程序；硬件或操作系统更新时，通常需要修改程序以适应新的环境。

上述种种软件维护工作，以令人吃惊的比例耗费资源。

更严重的是，许多程序的个体化特性使得它们最终成为不可维护的。

“软件危机”就这样开始出现了。

1968年北大西洋公约组织的计算机科学家在联邦德国召开国际会议，讨论软件危机课题，在这次会议上正式提出并使用了“软件工程”这个名词，一门新兴的工程学科就此诞生了。

计算机系统发展的第三代从20世纪70年代中期开始，并且跨越了整整10年。

在这10年中计算机技术又有了很大进步。

分布式系统极大地增加亍计算机系统的复杂性，局域网、广域网、宽带数字通信以及对“即时”数据访问需求的增加，都对软件开发者提出了更高的要求。

但是，在这个时期软件仍然主要在工
业界和学术界应用，个人应用还很少。

这个时期的主要特点是出现了微处理器，而且微处理器获得了广泛应用。

以微处理器为核心的“智能”产品随处可见，当然，最重要的智能产品是个人计算机。

在不到10年的时间里，个人计算机已经成为大众化的商品。

在计算机系统发展的第四代已经不再看重单台计算机和程序，人们感受到的是硬件和软件的综合效果。

由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网和广域网，与先进的应用软件相配合，已经成为当前的主流。

计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机／服务器(或浏览器／服务器)环境。

世界范围的信息网为人们进行广泛交流和资源的充分共享提供了条件。

软件产业在世界经济中已经占有举足轻重的地位。

随着时代的前进，新的技术也不断地涌现出来。

面向对象技术已经在许多领域迅速地取代了传统的软件开发方法。

计算机体系结构解决的是计算机系统在总体上、功能上需要解决的问题，它和计算机组成、计算机实现是不同的概念。

一种体系结构可能有多种组成，一种组成也可能有多种物理实现。

而其原理是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所希望达到的性能价格比。

一般而言，计算机组成研究的范围包括：确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的共享程度、确定专用的功能部件、确定功能部件的并行度、设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。

计算机组成的物理实现。

包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电源、冷却及装配等技术以及相关的制造工艺和技术。

总之，计算机的发展和应用已不仅是一种技术现象而且是一种政治、经济、军事和社会现象。

世界各国都力图主动地驾驭这种社会计算机化和信息化的进程，克服计算机化过程中可能出现的消极因素，更顺利地向高信息化发展。