计算机组成原理 (一) ：计算机系统概论

1.计算机的分类

电子计算机从总体上分为两大类

• 电子模拟计算机：“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。

• 电子数字计算机：它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。

电子计算机两大类的主要区别

	数字计算机	模拟计算机
数据表示方式	数字0/1	电压
计算方式	数字计数	电压组合和测量值
控制方式	程序控制	盘上连线
精度	高	低
数据存储量	大	小
逻辑判断能力	强	无

电子计算机中的数字计算机再分类

数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类

• 专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。
• 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。

电子计算机中的数字计算机的通用计算机的再分类

通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：

 

2.计算机发展简史

计算机的五代变化

• 第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据处理

• 第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业控制

• 第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机

• 第四代为1972—1990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机

• 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机

半导体存储器的发展

• 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。
• 其中1K=210,1M=220,1G=230

微处理器的发展

• 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。
• 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。
• 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器。
• 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。
• Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 到现在的64位处理器和多核处理器

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内能够处理的信 息量，单位是字节/秒（B/S）。
• 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，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。
• 利用率： 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时 间所占的比率，一般用百分比表示。
• 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。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。 字长越长，表示计算的精度越高。
• 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 ：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、 MB、GB、TB来表示。 其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。 存储器容量越大，记忆的二进制数越多。
• 存储器带宽 ：存储器的速度指标，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）。例如Pentium系列机为60MHz～ 266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。 主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳 秒。
• CPU执行时间 ：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下 式计算： CPU执行时间 ＝ CPU时钟周期数 × CPU时钟周期长
• 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。用下式计算：

             CPI ＝  

•  MIPS ：表示每秒百万条指令数，用下式计算：

             MIPS==

• Te：程序执行时间 Te ＝
• MFLOPS ：表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：

           MFLOPS ＝

3.计算机的硬件

数字计算机基本组成

现代的中央处理器也叫做CPU,包括了控制器、运算器、存储器

 

• 控制器：人的大脑的操作控制功能
• 运算器：人的大脑的计算功能
• 存储器：人的大脑记忆功能
• 输入设备：交互接口，笔
• 输出设备：交互接口，纸

1. 寄存器存在于CPU中，速度很快，数目有限；存储器就是内存，速度稍慢，但数量很大；计算机做运算时，必须将数据读入寄存器才能运算。
2. 存储器包括寄存器,存储器有ROM和RAM，寄存器只是用来暂时存储,是临时分配出来的,断电,后,里面的内容就没了

冯·诺依曼型计算机 

• 存储程序
• 按地址自动执行
• 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心

运算器

• 算术运算和逻辑运算
• 在计算机中参与运算的数是二进制的
• 运算器的长度一般是8、16、32或64位

1. 算术运算:用于各类数值运算。包括加(+)、减(-)、乘(*)、除(/)、求余(或称模运算，%)、自增(++)、自减(--)共七种。
2. 关系运算:用于比较运算。包括大于(>)、小于(<)、等于(= =)、大于等于(>=)、小于等于(<=)和不等于(!=)六种。
3. 逻辑运算:用于逻辑运算。包括与(&&)、或(||)、非(!)三种。
4. 位操作运算:参与运算的量，按二进制位进行运算。包括位与(&)、位或(|)、位非(~)、位异或(^)、左移(<<)、右移(>>)六种。
5. 赋值运算:用于赋值运算，分为简单赋值(=)、复合算术赋值(+=,-=,*=,/=,%=)和复合位运算赋值(&=,|=,^=,>>=,<<=)三类共十一种。
6. 条件运算:这是一个三目运算符，用于条件求值(?:)。
7. 逗号运算:用于把若干表达式组合成一个表达式(，)。
8. 指针运算:用于取内容(*)和取地址(&)二种运算。
9. 求字节数运算:用于计算数据类型所占的字节数(sizeof)。
10. 特殊运算:有括号()，下标[]，成员(→，.)等几种。 

存储器

• 存储数据和程序（指令）
• 容量（存储单元、存储单元地址、容量单位） 分类内存（ROM、RAM）、外存
• 存储器单位： 1KB ＝ 2^10B 1MB ＝ 2^20B 1GB ＝ 2^30B 1TB ＝ 2^40B

控制器

• 指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）
• 指令和数据存储

控制器的基本任务

• 控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期
• 控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。

适配器与I/O设备

• 输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式
• 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式
• 适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作
• 总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。

总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。

 

4.计算机系统的层次结构

五级计算机层次系统

• 第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。
• 第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。
• 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。
• 第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。
• 第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。

 

 

 

 

本文内容出自：计算机组成原理（第五版）

作者：白中英、戴志涛