數字計算機系統

數字計算機是以表示成不連續形式的數據來進行運算的計算機。

數字計算機的硬體和軟體結合起來成為一個統一體，稱為電子計算機系統。

基本介紹

• 中文名：數字計算機系統
• 外文名：digital computing system
• 拼音：shù zì jì suàn jī xì tǒng
• 定義：數字計算機硬體和軟體的統一體
• 元部件：中央處理器,存貯器,輸出(入)設備
• 套用學科：計算機

概述

數字計算機是以表示成不連續形式的數據來進行運算的計算機。通常由運算器、控制器、記憶體貯器和外部設備等部分構成。通常所說的電子計算機，多指通用型的電子數字計算機。數字計算機的特點是存儲容量大、精度高，處理能力強。

數字計算機的硬體和軟體結合起來成為一個統一體，稱為電子計算機系統。

數字計算機廣泛地用於地球資源標誌的識別。採用這種系統的主要中心有LARS(pu-rdue普都大學)，Willow Rum實驗室(Michigan密執安大學)，CRES(Kansas堪薩斯大學)和美國地質調查所。這些單位採用的識別程式儘管在細節上有差別，但基本上是一致的。

到目前為止，收集到的大量數據以模擬方式記錄，因此在處理之前需要經過A/D變換。密執安大學採用了一個80KHz的A/D變換器，它可以變換9個碼位之多，即512個等級。數據的予處理增加了處理時間(約40%)，但一般來說卻得到了更精確的結果。

和模擬計算機相比，數字計算機處理數據較為緩慢。目前，密執安大學已在模擬計算機中處理數據，大約比數字計算機快一百倍。但是前者很大程度與操作人員的熟練程度有關，而後者比較靈活，如積群、最佳四通道的確定等方法較為容易進行。

在多光譜數據處理中，多影象(或數據)的重疊是一個重要的問題。例如信息為不同感測器或不同通道(除多光譜掃瞄器外)，不同時間獲取，就會出現這種問題。目前LARS已研究出一種快速傅立葉變換方法用於數字計算機解決這個問題。

如右圖所示，數字計算機系統包括三個主要部分：即中央處理器、存貯器和輸入輸出設備。由圖可見，存貯器有三種使用級別，而輸入輸出設備則包括了各種各樣的外圍設備。中央處理單元(CPU)就本身來說，能做的工作非常有限，但它決定了整個系統的功能，所以是系統中最為重要的元件。

元部件

中央處理器

中央處理器是計算機中解釋和執行指令的部件，簡稱CPU。它既按用戶程式的要求處理數據，又負責整個計算機系統的控制。它包括運算器和系統控制器兩個基本部件。運算器實現算術、邏輯運算和數據移位、傳送的功能;系統控制器則實現指令解碼、定址變址、存取數據、控制運算、執行控制指令、接收中斷請求並對中斷按優先權排隊等控制功能。

中央處理器的主要性能指標是指令周期、字長和暫存器的數目。指令是中央處理器直接識別的機器語言的基本單位。一條運算指令一般指一種規定操作和若干運算元;一條控制指令則規定中央處理器的狀態、設定或改變控制暫存器的內容。指令周期是一條指令的取出和執行所需的時間，它直接影響計算機的運算速度。字長是指參加運算的運算元的位數。計算機的字長越長，數的表示範圍越大，有效數字的位數越多，計算精度越高。暫存器有通用暫存器、程式計數器、堆疊指針暫存器、控制暫存器、數據緩衝暫存器和浮點暫存器等。暫存器的數目越多，中央處理器的性能越高、指令周期越短，但結構就越複雜。

存貯器

存貯器是計算機基本部件之一，是電子計算機中能夠接受、貯有信息並能根據指令隨時提供或再現這些信息的部件。因為它具有一定記憶能力，所以也被稱為記憶庫。微型計算機通常由一片微處理器加上多片半導體存貯器、必要的輸入/輸出接口部分和其他輔助電路組成。

存貯器又稱“存貯裝置”。能接收和保存程式或數據，並在需要時可對它們進行檢索和利用的裝置。根據存貯器與電子計算機的關係，可分為記憶體貯器和外存貯器。根據存貯器的材質，可分為穿孔紙帶存貯器、磁存貯器、光存貯器、半導體存貯器等。存貯載體的形狀有帶、盤、鼓、芯、膜等多種。

輸入輸出設備

輸入輸出設備是輸入設備和輸出設備的總稱，即將信息輸入計算機或將計算機處理的信息記錄下來並輸出的設備。輸入輸出設備簡稱I/O設備，輸入設備用來接收用戶輸入的原始數據和程式，並將它們轉換成計算機所能識別的形式(二進制)存放到記憶體中。輸出設備的主要功能是把計算機處理的結果轉變為人們能接受的形式，如數字、字母、符號和圖形。

故障分析

現代電子數字計算機是一個極其複雜的系統。一台大型電子數字計算機，都是由幾萬片積體電路組件，上千個各種類型的接外掛程式，以及數十種外部設備構成的龐大系統。這樣的系統在軟體的控制下，可以完成各種各樣的功能。系統的正常運行，不僅和構成這個系統的硬體、軟體是否正確有關，而且和系統所處的環境，如溫度、濕度、電磁干擾等有關。根據國內外電子數字計算機運行中的統計說明，按故障所表現的各種形式，可以對故障進行如下分類：

系統故障

這是一種影響到系統運行的全局性故障。這時，系統出現如下情況：停機或永不停機；系統可以執行程式，但結果總是錯誤的。這些情況，機房的操作員或程式設計師都是可能遇到的。系統故障也有固定性故障和偶然性故障之分。如果發生系統故障之後，利用重新啟型功能，系統便恢復正常運行，則說明這次系統故障為偶然性的。反之，若重新啟動不正常，需終檢修、更換硬體或軟體，系統方能恢復正常運行，這時，則稱為固定性故障。

硬體故障

硬體故障主要指：構成系統的物理器件的工作參數偏離其正常能，或者根本L完全拐壞而造成的故障。例如，一個失效了的組件，就引起一個硬體故障。這種硬體故障可能是固定性的，也可能表現為偶然性的。下面還要詳細討論。

邏輯故障

邏輯故障亦稱邏輯錯誤。它表現為邏輯部件的輸入、輸出的邏輯關係不正確。邏輯故障按其持續時問來分，可分為偶然性的和固定性的兩類。按其故障範圍，可分為獨立的乘相關的兩類。所謂故障範圍，主要指邏輯部件中有多少個邏輯變數發生錯誤。在這些發生錯誤的邏輯變數中，它們的錯誤可以是獨立的，即一個變數的錯誤並不影響另一個變數獻值；也可以是相關的(或稱為分布的)，即幾個變數的錯誤是互相關聯的。按其數值來分，邏輯故障可分為確定的和不確定的兩類。所謂確定的邏輯故障，是指邏輯故障值恆為0域1；所謂不確定的邏輯故障，則是指其值在0和1之間來回變動的邏輯故障。

軟體故障

在系統運行中，軟體故障不是指那些由於硬體故障或邏輯故障而引起的，表現於軟體的故障，而是指軟體本身所蘊含的錯誤。從某種意義上講，軟體故障都是軟體設計和實現中的錯誤所造成的。在現代計算機的軟體生產中，由於軟體工程的複雜性，加上缺乏一定的科學方法論基礎，以及一整套科學而合理的生產制度，因此可以說，軟體的錯誤幾乎是不可避免的。軟體的可靠性問題，已成為當前共同關心的一個重要問題。

系統故障、硬體故障、邏輯故障及軟體故障，它們之間有著緊密的內在聯繫。這是由於，系統是由軟體和硬體有機結合而成的，而邏輯部件又是由各種單個硬體組成的。因此，一般說來，硬體故障會引起邏輯故障，邏輯故障最後會引起系統故障。但它們之間也有差別。例如，邏輯故障不全是由硬體故障引起的，邏輯設計中時間餘量的不合理、電磁干擾的存在等，都會引起邏輯故障。