第一章 计算机系统概述

第一节 绪论

• 计算机：机械式计算机、数字电路计算机、模拟电路计算机、···

• 组成：计算机硬件系统的逻辑实现（告诉使用者做什么）而不是物理实现（用具体的元器件将计算机制作出来）

  使用数字电路的知识（门电路、触发器等数字电子的元器件）实现硬件系统。

• 原理：计算机组成的公共原理。

• 学习的主要内容：

  基本部件的结构和组织方式；

  基本运算的操作原理；

  基本部件和单元的设计思想；

• 计算机是由哪两部分组成？

  

  基本结构都具有共性特征：

  

第二节 计算机的发展历程

• 计算机硬件的发展

  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----几万	汞延迟线、磁鼓	穿孔卡片、纸带
  第二代	1958-1964	晶体管	几万----几十万	磁芯存储器	磁带
  第三代	1964-1971	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-现在	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

  • 逻辑原件的大小决定了计算机系统的大小

  1. 第一代计算机（1946-1957年）【电子管时代】 第一台电子数字计算机：ENIAC

     ​ 简介：机器语言；占地面积约170平方米；耗电量150千瓦；包含了17468根真空管。

  2. 第二代计算机（1958-1964）【晶体管时代】
     简介：有了操作系统雏形；并出现了面向过程的语言：FPRTRAN。

  3. 第三代计算机（1965-1971）【中小规模集成电路时代】

     ​ 简介：高级语言迅速发展；开始有了分时操作系统。

  4. 第四代计算机（1972年至今）【大规模、超大规模集成电路时代】

     ​ 简介：产生了微处理器；产生了新的概念：并行、流水线、高速缓存、虚拟存储器······

• 计算机编程语言

  

• 微处理器的发展

  微处理器	机器字长	年份	晶体管数目
  8080	8位	1974
  8086	16位	1979	2.9万
  80286	16位	1982	13.4万
  80386	32位	1985	27.5万
  80486	32位	1989	120.0万
  Pentium	64位（准）	1993	310.0万
  Pentium pro	64位（准）	1995	550.0万
  Pentium II	64位（准）	1997	750.0万
  Pentium III	64位（准）	1999	950.0万
  Pentium IV	64位	2000	3200.0万

  • 机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数。
  • 摩尔定律：揭示了信息技术进步的速度，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，整体性能也将提升一倍。
  • 半导体存储器的发展：1970年，仙童公司生产出第一个较大容量的半导体存储器；半导体存储器单芯片容量：1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB、······

第三节 计算机系统的分类与发展方向

• 指令和数据流

  1. 单指令流&单数据流（SISD）：冯诺依曼体系结构
  2. 单指令流&多数据流（SIMD）：阵列处理器、向量处理器
  3. 多指令流&单数据流（MISD）：实际上不存在
  4. 多指令流&多数据流（MIMD）：多处理器、多计算机

• 发展趋势：“两级”分化

  

第四节 计算机硬件的基本组成

• 冯·诺依曼计算机

  “存储程序”：将指令以代码的形式事先输入到计算机主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

  

  特点：（必须记住）

  1. 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成；
  2. 指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访；
  3. 指令和数据均用二进制代码表示；
  4. 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；
  5. 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
  6. 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

  冯·诺依曼体系的计算机已经不能满足现代计算机对数据量的需求，故现代计算机的组织形式是以存储器为核心的计算机，并由此推出了计算机的五大功能部件。

  

  冯·诺依曼计算机以运算器为核心已不能满足现代计算机对数据量的要求。

​ 但是随着微电子技术的发展，现代计算机以存储器为核心。

​

​ 计算机硬件的基本组成

​

第五节 计算机的功能部件----存储器

上一节中主机中的主存储器又可以称为主存、内存，外设中的辅助存储器又可以称为辅存、外存。

• 主存的工作方式：

  按照存储单元的地址号来实现对存储字的存和取，这种存取方式就是按照地址进行存取，也就是按照地址来访问存储器，所以必须需要一个地址寄存器来对存储单元的地址进行存储，同时也需要有一个数据寄存器来暂时存放存入或取出的数据，MAR和MDR就是为了实现按地址访问而配置的，时序控制逻辑用来控制地址寄存器和、存储体、数据寄存器之间的关系。

• 存储体是由一个一个的存储单元构成，存储单元则是由一个一个的存储元构成。

  n位地址 ----> 2^n个存储单元

  存储器的总容量 = 存储单元个数 × 存储字长

• 注意：MDR和MAR虽然在逻辑上是放在主存储器中的，但是在实际硬件实现的过程中，是将他们放在CPU中进行实现的。

  

第六节 计算机的功能部件----运算器、控制器、工作过程、I/O设备

• 运算器是计算机的执行部件，其功能是对数据进行加工处理，完成算数运算和逻辑运算。

  控制器是计算机的指挥中心，用来指挥各个部件进行自动、协调的工作。

  

  	加	减	乘	除
  ACC	被加数、和	被减数、差	乘积高位	被除数、余数
  MQ			乘数、乘积低位	商
  X	加数	减数	被乘数	除数

• 计算机的工作过程 ---- 取数指令

  

  ​ 将PC中当前预执行指令的地址传送给MAR，MAR得到地址以后到存储体中找到该地址对应的存储单元，将存储单元中的数据传送给MDR，MDR得到数据后将数据传送给指令寄存器(IR)，到此取指令阶段结束；IR进行分析指令，将其操作码传送给控制单元(CU)，控制单元分析指令，发出各种微操作的命令序列，到此分析指令阶段结束；但此时仍有地址码（地址码用来保存操作数的地址），需继续将地址码传送给MAR，MAR再根据地址到存储体中找到该地址对应的存储单元中的数据（操作数），存储体将操作数传送给MDR，MDR得到数据，随后将数据传送给累加器(ACC)，此时取数指令阶段结束。

  M : 主存中某存储单元

  ACC、MQ、X、MAR、MDR、··· : 相应寄存器

  M(MAR) : 取存储单元中的数据

  (ACC) : 取相应寄存器中的数据

  指令是由操作码和地址码构成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置

  

  OP(IR) ：取操作码

  AD(IR) ：取地址码

  CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段（取址阶段取的是指令，取数阶段取的是数据）

• I/O设备是构成外设的部分：

  输入设备（鼠标、键盘）用来将人类理解的形式转换为计算机能够识别和接受的形式。

  输出设备（显示器、打印机）是将计算机处理得到的结果转换为人类能够理解的形式。

  辅存（硬盘、光盘、U盘），外设要提供I/O接口。

第七节 计算机系统的层次结构

• 一个简单的层次结构

  

• 程序员视角

  

第八节 计算机的性能指标

• 容量指标

  n个二进制位能表示出多少种不同的状态？

  

  

• 速度指标

  

• 在计算机中有一个统一的信号，它是一个一个重复的时间单元，将最小的一个时间单元称为CPU的时钟周期，它的倒数称为CPU的时钟频率（又称主频），CPU的时钟周期是一个时间的量，CPU的时钟频率是一个频率的量（是时间的倒数）。

  

  CPI(Clock cycle Per Instruction)执行一条指令所需的时钟周期数。

  该指令耗时 = CPI × CPU时钟周期

  

• MIPS(Million Instructions Per Second)，即每秒执行多少百万条指令。

  MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 10^6) = 主频 / CPI

  MFLOPS(Mega Floating-point Operations Per Second)，即每秒执行多少百万次浮点运算。MFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 × 10^6)

  GFLOPS(Giga Floating-point Operations Per Second)，即每秒执行多少十亿次浮点运算。GFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 × 10^9)

  TFLOPS(Tera Floating-point Operations Per Second)，即每秒执行多少万亿次浮点运算。TFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 × 10^12)

• 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数，功能是连接部件传送数据，故带宽每次传送多少位数的信息就决定了我们每次能处理多少信息，信息传送速度越快，处理的信息量也就越大。

  

• 吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多块地从内存取出或存入，以及所得结果能多块地从内存送给一台外部设备。这些步骤中地每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。

• 响应时间：指从用户向计算机发送的一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需要的结果的等待时间。通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）。

章末小结