1.1计算机组成原理概述

计算机系统概述

内容概述：从计算机发展历程，到讲述计算机系统层次结构（包括计算机硬件基本组成，软件的分类，工作过程），最后简单提下计算机性能指标。

发展历程

硬件发展：

时间	时代类型	特点
第一代（1946-1957）	电子管时代	使用机器语言编程，主存用延迟线或磁鼓存储，容量小，体积大，成本高
第二代（1958-1964）	晶体管时代	主存使用磁芯存储器，使用高级语言，如FORTRAN，有了OS雏形
第三代（1965-1971）	中小规模集成电路时代	使用半导体存储器，高级语言和OS发展迅速，有了分时操作系统
第四代（1972-现在）	超大规模集成电路时代	出现微处理器，诸如并行，流水线，高速缓存和虚拟存储器等概念

• 这里有必要提一下计算机界内广为人知的“摩尔定律（当价格不变是，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍）”，而被称为“安迪-比尔定律”也十分有意思，有兴趣的可以看看《浪潮之巅》这本书，详细讲诉了IT的历史，十分有意思。

软件发展：
计算机软件都是用编程语言所编写实现的。因而软件的发展，归根结底也是编程语言的发展。从一开始的计算机面向机器的机器语言和汇编语言到一直沿用至今的面向问题的高级语言。这里是编程语言的发展历史
当然更为复杂的系统软件（主要有OS，DBMS，语言处理程序，分布式软件系统，网络软件系统，表专科程序，服务性程序等），其中的操作系统（OS），主要分为两大块，普及化的Window和专业化的Unix，发展迅猛，在各行各业，面对不同人群，功能衍生出不同类型的的OS。

分类与发展方向：
计算机的分类：

按指令系统分类：

系统名称	注解
单指令流和单数据流系统（SISD）	即传统的冯-诺依曼体系结构
单指令流和多数据流系统（SIMD）	包括阵列处理器和向量处理器系统
多指令流和单数据流系统（MISD）	实际上不存在该种计算机
多指令流和多数据流系统（MIMD）	包括多处理器和多计算机系统

发展方向：两极和分化，一极更小，向着微型计算机发展，更微型化，网络化，高性能，多用途方向发展。
另一极则是更大，举行话，超高速，并行处理，智能化方向发展。

层次结构

硬件系统和软件系统共同构成一个完整的计算机系统

硬件系统的基本组成

1.早期的冯-诺依曼结构机（以运算器为中心）

• 计算机硬件系统由运算器。存储器，控制器，输入输出设备五大部件构成
• 指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻址
• 指令和数据均用二进制代码表示
• 指令可由操作码和地址码组成，操作码用于表示操作性质，地址码用于操作数在存储器中的位置
• 指令在存储器内按顺序存放
• 早期冯-诺伊曼以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据
• 2.现代计算机的组织结构（以存储器为中心）

部件	功能	备注
输入设备	将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机	键盘，鼠标等
输出设备	将计算机处理的结果以人们能接受的形式会其他系统所要求的信息形式输出	显示器，打印机等
存储器	存放程序和数据	存储器又分为主存储器（简称主存，内存储器）和辅助存储器（简称外存，外存储器）。
运算器	用于对计算机进行加工虎处理，完成算术运算和逻辑运算	算术运算包括加减乘除，逻辑运算包括与，或，非，异或，比较，移位等运算，核心是ALU（算术逻辑单元）
控制器	“指挥”个部件自动协调地进行工作	由程序计数器（PC），指令寄存器（IR），控制单元（CU）组成

软件系统

软件按其功能分类分为系统软件和应用软件
系统软件是指可以保证计算机系统高效，正确运行的基础软件。
应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。

工作过程

1. 把程序和数据装入到主存储器中
2. 从程序的起始地址运行程序
3. 用程序的首地址从存储器中取出第一条指令，经过译码、执行步骤等控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令功能，并计算下一条指令的地址
4. 用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止；每条指令都是在取指、译码、执行循环过程中完成的。

除了层级结构外，还有多级层次结构，结构图如下：

计算机组成原理这门课程只要讲述讨论传统机器M1和微程序机器M0的组成原理及设计思想

性能指标

一台计算机的好坏很大程度上就看其性能如何，学会看懂一台计算机的性能指标是最简单了解一台计算机的方式。

指标名称	详解
机器字长	计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小
数据通路带宽	数据总线一次所能并行传递信息的位数，各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路
主存容量	主存储器所能存储信息的最大容量

运算速度	详解
吞吐量	系统在单位时间内处理请求的数量
响应时间	从用户提交请求到系统首次产生响应并获得其所需要的结果所用的时间
时钟周期	节拍脉冲或T周期，CPU最小的时间单位，CPU时钟周期=1/主频，主频单位一般为MHz,1Hz表示每秒一次
主频	机器内部主时钟的频率
CPI	执行一条指令所需要的时钟周期数
执行时间	执行一个程序所需要的时间，CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=(指令条数 × CPI)/主频
MIPS	每秒执行多少百万条指令,MIPS=指令条数/(执行时间 ×106 )=主频/CPI
FLOPS	每秒执行多少次浮点运算，分为MFLOPS(每秒执行多少百万次浮点运算),GFLOPS(每秒执行多少十亿次浮点运算)，TFLOPS(每秒执行多少万亿次浮点运算)等，MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间 ×106 ),GFLOPS=浮点操作次数/(执行时间 ×109 )