计算机硬件基础——第一章：计算机系统概述

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。