计算机考研408（计算机组成原理（持续更新））

计算机组成原理

一、计算机系统

（一）发展

计算机之父
	通用计算机之父：巴贝奇  CharlesBabbage
	计算机科学之父：图灵  AlanTuring
	电子计算机之父：约翰·阿坦那索夫  JohnVincentAtanasoff
	现代计算机之父：冯·诺依曼  JohnvonNeumann

1、硬件发展

0.世界上第一台电子计算机：ABC机	
	优点：可储存	
	缺点：不可编程	
1.世界上第一台(通用)数字电子计算机：ENIAC(无存储)	
	进制：十进制	
	缺点：不具备存储程序	
2.世界上第一台按存储程序功能设计的计算机：EDVAC(首次提出存储程序)	
	特点：机器内部使用二进制表示数据；像存储数据一样存储程序；
	 	  计算机由运算器、控制器、存储器、输入模块和输出模块5部分组成。	
	   	  事先将指令以二进制代码事先输入计算机的主存储器	
3.世界上第一台商用的程序内藏式电子计算机(现代电脑鼻祖)：EDSAC	
	优点：世界上首次实现存储程序计算机	
	缺点：	

	发展阶段		时间		逻辑元件					速度(次/秒)		内存			外存
	第一代		1946-1957	电子管					几千—万			汞延迟线、磁鼓	穿孔卡片、纸袋
	第二代		1958-1964	晶体管					几万-几十万		磁芯存储器		磁带
	第三代		1965-1971	中小规模集成电路			几十万-几百万	半导体存储器		磁带、磁盘
	第四代		1972-至今	大规模、超大规模集成电路	上千万-万亿		半导体存储器		磁盘、磁带、光盘、半导体存储器

1.摩尔定律

价格不变时，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，性能将提升一倍。

2.半导体发展

仙童半导体（美国）

3.微处理器发展

因特尔Intel（美国）

2、软件发展

1.计算机语言

1 机器语言

2 汇编语言

3 高级语言：

	面向过程设计——FORTRAN
	面向过程（结构化）——PASCAL
	面向过程——C
	面向对象——C++
	面向对象——Java

2.计算机系统

1 Unix

2 Windows

3 Linux

4 macOS

3、计算机分类

1.电子计算机：

	电子模拟计算机
	电子数字计算机

2.数字计算机：用途

	专用计算机
	通用计算机

3.通用计算机：性能、指令系统、数据量、功耗、体积、价格

	巨型机
	大型机
	中型机
	小型机
	微型机
	单片机

4.计算机：指令、数据流

	1单指令流和单数据流系统（SISD)——传统冯·诺依曼体系结构
	2单指令流和多数据流系统（SIMD)——阵列处理器和向量处理器系统
	3多指令流和单数据流系统（MISD)——实际不存在
	4多指令流和多数据流系统（MIMD)——多处理器和多计算机系统

4、计算机未来发展

发展两极分化：
	微型机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展
	巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展

（二）系统层次结构

1、计算机系统组成（整机）

1.完整的计算机＝硬件＋软件

硬件：基本物理硬件（电子元件、光电/电子/机械设备）
软件：程序、数据、文档

2、硬件基本组成

主机、I/O设备
	主机：CPU＋内存
	I/O设备：各类输入输出设备

3、软件分类

程序：是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列
数据：是使程序能正常操纵信息的数据结构
文档：是与程序开发、维护和使用有关的图文材料

1.按层次分类

1系统软件：一类软件
	管理整个计算机系统
		①语言处理程序
		②操作系统
		③服务性程序
		④数据库管理系统
		⑤网络软件
2支持软件
3应用软件：特定软件
	按任务需要编制成的各种程序

2.按结构划分

1单机软件
2分布式软件
3C/S B/S

4、计算机工作过程

输入——>处理——>输出

1 外存程序及数据（磁盘）——>主存储器(内存＋寄存)

2 程序起始地址运行程序

3 使用程序首地址从存储器中取出第一条指令，经过译码、执行等步骤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；同时再次往复循环下一轮。

5、系统多层结构：层次结构

定义：指的是计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层。
	  把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

1.层次(顺序)

	1.微程序机器M0：微指令系统：硬件直接执行
	2.传统机器M1：机器语言：执行二进制机器指令
	3.虚拟机器M2：操作系统：广义指令(系统调用)
	4.虚拟机器M3：汇编语言：汇编程序翻译成机器语言
	5.虚拟机器M4：高级语言：编译程序翻译成汇编语言程序

2.层次(倒序)

	(零)0.硬联逻辑级
		第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。
	(一)1.微程序级|微指令系统(微指令M0)
		第一级是微程序级。它是实现程序的一种手段，具体就是将一条机器指令编写成一段微程序。每一个微程序包含若干条微指令，每一条微指令对应一条或多条微操作，一般是直接由硬件执行的。
	(二)2.传统机器级(机器语言M1)
		第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
	(三)3.操作系统级()
		第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。
	(四)4.汇编语言级(汇编语言)
		第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。
	(五)5.高级语言级
		这级的机器语言就是各种高级语言，面向用户，为方便用户编写应用程序而设置，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。
	(六)6.应用语言级
		这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

（三）性能指标

1、主要性能指标

1.存储器容量：MAR、MDR

			bit		Byte	KB		MB		GB			TB		PB		EB
名字		比特位	字节	千字节	兆字节	吉字节		太字节	拍字节	艾字节
比例		-		8bits	1024B	1024KB	1024MB		1024GB	1024TB	1024PB
常见设备		门电路	-		寄存器	高速缓存	内存/硬盘	硬盘	云硬盘	数据仓库

MAR(地址)：位数反映出存储体里面总共有多少个存储单元
MDR(数据)：位数反映出每个存储单元可以存放多少个二进制bit位

2.CPI

执行一条指令所需时钟周期数(平均情况)

2、专业术语(名词)

透明：不可见，看不见，不知道内部、看不到，不知道它是什么。
公开透明：看得见。

二、数据表示和运算

（一）进制转换

1、进制

2、进制转换

（二）数据类型

1、符号数

2、整数

3、小数

1.定点数

2.浮点数

（三）数据表示

1、表示1

2、表示2

（三）数据运算

1、原反补移

2、四则运算

三、存储系统