计算机硬件基础——第一章:计算机系统概述

目录

    • 计算机发展历史
      • 第一代:电子管计算机时代(1946~1957),其主要特点是采用电子管作为基本器件。
      • 第二代:晶体管计算机时代(1958~1964),这时期计算机的主要器件逐步由电子管改为晶体管。
      • 第三代:集成电路计算机时代(1965~1971),随着半导体器件生产工艺与技术上的进步,在一片半导体基片上,可以生产出多个晶体管,并用它们形成具有一定处理功能的逻辑器件,这就是集成电路。
      • 第四代:大规模集成电路计算机时代(1972~)
    • 计算机的应用
      • 科学计算,数据处理,工业控制,实时控制,网络技术,虚拟现实,办公自动化和管理信息系统,CAD/CAM/CIMS,多媒体技术,人工智能
    • 计算机的硬件和软件
      • 硬件
      • 软件
    • 工作原理
      • “存储程序”+“程序控制”
      • 一条指令的执行通常分为三步:
    • 计算机的性能指标
      • 基本字长
      • 存储容量
      • 运算速度
      • 系统可靠性
      • 外设和软件的配置

计算机发展历史

第一代:电子管计算机时代(1946~1957),其主要特点是采用电子管作为基本器件。

第二代:晶体管计算机时代(1958~1964),这时期计算机的主要器件逐步由电子管改为晶体管。

第三代:集成电路计算机时代(1965~1971),随着半导体器件生产工艺与技术上的进步,在一片半导体基片上,可以生产出多个晶体管,并用它们形成具有一定处理功能的逻辑器件,这就是集成电路。

第四代:大规模集成电路计算机时代(1972~)

计算机的应用

科学计算,数据处理,工业控制,实时控制,网络技术,虚拟现实,办公自动化和管理信息系统,CAD/CAM/CIMS,多媒体技术,人工智能

计算机的硬件和软件

硬件

  • 计算机系统中由电子元器件、光电元器件及机械设备等各种物理装置的总称
  • 冯诺依曼结构:存储程序。
  • 现代计算机的硬件结构
  • 计算机硬件可以高速实现逻辑和运算功能,但是难以实现复杂功能和计算,灵活性也较差

软件

  • 指能使计算机完成某项任务的程序和程序运行时所需要的数据集合
  • 系统软件:操作系统、语言处理程序、数据库管理及设备的驱动等基本的工具软件
  • 应用软件:为解决某个具体问题而设计的软件,例如:office,WPS,QQ,WeChat。
  • 计算机软件易于实现各种逻辑和运算功能,灵活性好,但是往往速度较慢

工作原理

“存储程序”+“程序控制”

一条指令的执行通常分为三步:

  • ① 取指令:根据程序计数器PC的值从内存中取出当前指令,送至指令寄存器IR,之后PC自动加1,指向下一条指令的地址或下一字节地址;
  • ②分析指令:对IR中的指令操作码译码,分析其指令性质。若指令要求操作数,则计算操作数地址;
  • ③执行指令:取出操作数后,执行指令操作码规定的操作。根据指令的不同,还可能进行结果回写。

计算机的性能指标

基本字长

  • 计算机的CPU一次可以处理的一组二进制数的位数
  • 字长越长,表示的操作位位数越多,范围越大,精度越高,速度越快,成本越大

存储容量

  • 可以存放的二进制数的位数或字节数
  • 存储器容量 = 存储单元数量 * 存储字长

运算速度

  • 描述计算机工作快慢的指标

  • MIPS(每秒执行几百万条指令):CPU每秒钟执行的指令条数

  • MFLOPS(每秒钟能执行几百万次浮点运算操作):针对现代微机

  • CPU主频

    • 指CPU使用的时钟脉冲的频率。CPU的时钟周期是主频的倒数,主频越高,速度越快
    • 1GHz 主频,时钟周期是1ns
    • 1MHz 主频,时钟周期是1us
  • CPI

    • 指每条指令从取指导该条指令执行完毕需要多少个时钟周期,CPI越少,速度越快
    • CPI的倒数称作IPC,表示每个时钟周期可执行的指令条数
    • 若执行100条指令,用了400个时钟周期,则 CPI = 400/100 = 4
  • 基准程序测试

    • 通过一组典型程序的执行时间来衡量,所用时间越短,说明计算机运算速度越快

系统可靠性

  • 一般用平均无故障时间来衡量

外设和软件的配置

  • 外设配置是指计算机配置哪些外设,配置什么性能的外设
  • 软件配置是指计算机中安装的软件。

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