计算机组成原理学习总结1 计算机系统概论

白中英版计算机组成原理 学习总结1 计算机系统概论

1.计算机分类

*第一代计算机（1946—1957年）：电子管
*第二代计算机（1958—1964年）：晶体管
*第三代计算机（1965—1971年）：中小规模集成电路
*第四代计算机（1972—至今）：大规模、超大规模集成电路
*第五代计算机：？
系统结构有革命性的变化，类似于人脑的神经网络，计算机智能化将进一步发展，计算机进入知识处理阶段；材料上使用常温超导材料和光器件；采用超并行结构的数据流计算等……

第一代计算机(1945年－1958年)
采用电子管。
代表机型：ENIAC
1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；
主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题 ；
花费40万美元；
1955年10月2日最后切断电源。

1937年，Alan Turing提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。
Turing机的特点：
并不是保存所有问题的结果；问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述；计算机执行程序的时间是有限的。

ENIAC的特点：十进制表示
程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式：
美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一个计算机模型EDVAC：
Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC直到1952年才调试成功。

七十年代，当集成电路工业发展到LSI（Large scaled Integrated circuit）阶段时，它的门密度可达到1000门/片，这时已有可能利用单片IC制成简单的CPU，即微处理器。
1971年，Intel公司开始出售它的第一种微处理器芯片Intel 4004；
1973年，又推出Intel 8008芯片。
这些CPU都采用了基于累加器的结构。

现代计算机发展方向：
巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化

20世纪50~60年代，磁芯存储器
价格昂贵，体积大，破坏性读出
1970年，半导体存储器
价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写
1974年之后，半导体存储器
价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快

20世纪70年代的处理器
4004 ->8008 -> 8080 -> 8086 ->8088
20世纪80年代的处理器
80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX
20世纪90年代的处理器
486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium Ⅲ
最近10年的处理器
Pentium 4 Itanium Itanium 2 ……

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。
响应时间
从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。
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（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位；
机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。

总线宽度
一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。

主存储器容量
主存储器所能存储二进制数据的位数。
或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”！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。存储容量越大，能存储的信息就越多。
1KB=1024B，1MB=1024KB，
1GB=1024MB，1TB=1024GB
…

主存储器带宽
单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，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、GHz。
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us 、纳秒ns。

CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间；
CPU执行时间 ＝ 程序的总时钟周期数 × CPU时钟周期
CPI（Cycle Per Instruction）
执行一条指令所需的平均时钟周期数；
平均CPI=某程序总的CPU时钟周期数 / 该程序包含的指令条数
MIPS（Million Instructions executed Per Second）
每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；
MIPS = 指令数 / 程序执行时间
FLOPS（Floating-point Operations Per Second）
每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。
其他的性能指标
主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……

IN——某程序中的指令总数；NC —— 该程序所包含总的CPU时钟周期数；tCPU——该程序所需的CPU时间；T ——时钟周期，f ——时钟频率，T与f互为倒数，n为指令种类。

假定基准程序A在某计算机上的运行时间为100秒，其中90秒为CPU时间，其余为I/O时间。若CPU速度提高50%，I/O速度不变，则运行基准程序A所消耗的时间是（ ）
A. 55秒 B. 60秒 C. 65秒 D 70秒

【解答】
假设提高速度后CPU消耗的时间为X秒，之前CPU的速度为v，则提高后为1.5v；
CPU执行的指令条数不变，所以有 90V=X1.5V，则 X=60，再加上I/O时间，共70秒

假定某计算机的CPU主频为80MHz，CPI为4，……
（1）该计算机的MIPS数是多少？
主频——每秒钟的时钟周期数；
CPI——每条指令的时钟周期数；
MIPS——每秒钟可执行的指令条数；

MIPS=主频 / CPI = 20

某32位计算机，CPU主频为80MHz，……，总线时钟频率为200MHz，……。
（1）CPU和总线时钟周期各为多少？（各1分）
CPU时钟周期为：1 / 80MHz = 1.25 ns
总线时钟周期为：1 / 200MHz = 5 ns

使用计算器计算y=ax+b-c
已知a=123，b=234， c=345，x=456
解题步骤：
获取数据a和数据x；
输入计算器，得出结果；
继续获取数据b，送入计算器；
得到结果，继续获取数据c；
送入计算器，获得结果；
在纸上记录结果；

纸
相当于 存储器；
保存源数据和结果数据；
计算器
相当于 运算器；
运算、暂存中间结果；
笔和手
相当于 输入/输出设备；
将数据的输入/输出；
人
相当于 控制器；
协调整个计算过程；

计算机硬件（Hardware）
是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成.
计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体
将运算器、控制器和片内高速缓存，统称为CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。
主机内仅包含主存储器，即内存；
硬盘、光盘等辅助存储器属于I/O设备；
以存储器为中心。
减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；

功能： 处理所有的算术及逻辑运算。通常称为ALU(算术逻辑单元)
特点：
采用二进制数据进行运算；
运算器一次可以处理的数据位数称为机器字长；
机器字长一般为8、16、32、64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；

存储器：

功能：保存所有的程序和数据。
特点：
二进制形式保存程序和数据；
存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；
相关的概念
存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；
存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；
单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；
存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。
注意：不同系统中的存储器组织方式并不一定相同；

存储器的分类：
外存（辅助存储器）
磁盘存储器、光盘存储器；
CPU不可直接访问；
内存（主存储器）
半导体存储器；
CPU直接访问，存放当前系统运行
所需的所有的程序和数据。
两个与主存相关的寄存器
MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息；
MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。

控制器：
功能
根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机各个部件的工作。
主要任务：
解释并执行指令；
控制指令的执行顺序；
负责指令执行过程中，操作数的寻址；
根据指令的执行，协调相关部件的工作
如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。
指令的形式
操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；
地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。

控制器工作的周期
取指周期：取指令的一段时间
执行周期：执行指令的一段时间
指令按顺序执行的控制部件：指令计数器
每取出一条指令，指令计数器就加1；
遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；
相关概念
数据字：该字代表要处理的数据；
指令字：该字为一条指令；
指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；
数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。

输入设备
将人们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的设备。
输出设备
把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。
适配器
保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。
系统总线
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。

从不同角度看到的计算机的构成；
高级语言级
软件级，使用高级语言；
汇编语言级
软件级，使用汇编语言；
操作系统级
混合级，使用机器指令和广义指令；
一般机器级
硬件级，使用微程序解释机器语言；
微程序设计级
硬件级，硬件信号作用于计算机；

硬件
指计算机系统中使用的电子线路和物理装置；
软件
指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合；
由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成；
固件
具有某软件功能的硬件，一般用ROM类存储器实现。
如计算机主板上的BIOS，路由器、数码相机、PDA、GPS、电视机顶盒等电子类产品也都包含有固件；
功能上是软件，形态上是硬件。