1.计算机组成原理—计算机系统概论

计算机组成原理—计算机系统概论

关键字

• LSI：Large Scale Integrated Circuit 大规模集成电路
• VLSI：Very Large Scale Integrated Circuit 超大规模集成电路
• CPI： Clock cycle Per Instruction 平均周期数，表示计算机执行一条指令所需的时钟周期数
• MIPS：Million Instructions Per Second 单字长定点指令平均执行速度，表示平均每秒执行多少百万条定点指令速。
• FLOPS：Floation-point Operations Per Second 表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。
• ALU：Arithmetic and Logical Unit 算术逻辑单元，是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由“与门“ 和“或“构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。

本节要点

• 计算机的发展史
• 计算机的性能指标
• 计算机的硬件系统
• 计算机的重要概念

计算机的发展史

计算机发展史相关文章

• 第一代计算机 “ENIAC” ：
  世界上第一台电子计算机"ENIAC"于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学诞生，是美国人莫克利（JohnW.Mauchly）和艾克特（J.PresperEckert）发明的，主要是有大量的电子管组成，主要用于科学计算。
  

• 第二代计算机 晶体管计算机 (1958-1964年)
  
  

• 第三代计算机 中小规模集成电路计算机 (1965-1969年)：
  集成电路可在几平方毫米的单晶硅片上集成十几个甚至上百个电子元件。计算机开始采用中小规模的集成电路元件，这一代比上一代更小，耗电更少，功能更强，寿命更长，领域扩大，性能比上一代有很大提高
  
  

• 第四代计算机 大规模集成电路计算机 (1971年至今)：
  这时期的计算机的体积、重量、功耗进一步减少，运算速度、存储容量、可靠性都有很大提高。
  
  
  +新一代计算机：
  下一代计算机可能是超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机、量子计算机和神经网络计算机等，体积更小，运算速度更快，更加智能化，耗电量更小。
  

计算机的性能指标

• 吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔能够处理的信息量。
• 响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
• 利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。
• 处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64位。
• 总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
• 存储器容量：存储器中存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
• 存储器宽度：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。
• 主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。主频的倒数称为CPU的时钟周期（T），T=1/f，度量单位是us，ns
  主频和时钟周期参考文章
• CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。
  CPI = 执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数
• FLOPS：表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。
  FLOPS = 程序中的浮点操作次数/程序执行时间

计算机的硬件系统

百度百科

• 运算器
  计算机硬件中的运算器主要功能是对数据和信息进行运算和加工。运算器包括以下几个部分：通用寄存器、状态寄存器、累加器和关键的算术逻辑单元。运算器可以进行算术计算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）。
• 控制器
  控制器和运算器共同组成了中央处理器（CPU）。控制器可以看作计算机的大脑和指挥中心，它通过整合分析相关的数据和信息，可以让计算机的各个组成部分有序地完成指令。
• 存储器
  顾名思义，存储器就是计算机的记忆系统，是计算机系统中的记事本。而和记事本不同的是，存储器不仅可以保存信息，还能接受计算机系统内不同的信息并对保存的信息进行读取。存储器由主存和辅存组成，主存就是通常所说的内存，分为RAM和ROM两个部分。辅存即外存，但是计算机在处理外存的信息时，必须首先经过内外存之间的信息交换才能够进行。
• 输入设备
  输入设备和输出设备都是进行人机互动的关键设备。鼠标、键盘等输入设备的出现，给计算机带来了天翻地覆的变化。现有的鼠标主要有两类：光电鼠标和机械式鼠标。通过鼠标，我们可以很方便地在计算机屏幕上进行坐标的定位，可以很好地操作图形和软件处理，为人类提供了最大的便捷。键盘也是一类非常重要的输入设备，计算机大部分的指令都是通过键盘输入来进行的。
• 输出设备
  输出设备也是计算机人机互动的关键设备，它的特点是可以将计算机的信息以画面的形式展现出来，具有很好的直观性。常见的输出设备有显示器、打印机、语音和视频输出装置等

计算机系统

硬件系统

软件系统

中央处理器

存储器

输入设备

输出设备

系统软件:操作系统,程序设计语言...

应用软件:办公软件,学习软件...

运算器

控制器

内存储器

外存储器

计算机的重要概念

• 冯诺依曼体系结构：
  (1)采用存储程序方式，指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中，数据和程序在内存中是没有区别的,它们都是内存中的数据,当EIP指针指向哪 CPU就加载那段内存中的数据,如果是不正确的指令格式,CPU就会发生错误中断. 在现在CPU的保护模式中,每个内存段都有其描述符,这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读,可写,可执行).这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据）
  指令和数据都可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
  (2)存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。
  (3)指令由操作码和地址码组成。操作码指明本指令的操作类型,地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。
  (4)通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。
  (5)以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。
  (6)数据以二进制表示。

• 总线：
  总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。