計算機組成第一章-----概論

1.1 電子計算機與存儲程序控制

電子計算機是不需要人工直接干預(yù)图焰，能夠自動、高速蹦掐、準(zhǔn)確地對各種信息進行處理和存儲的電子設(shè)備技羔〗┐常總體上可以被分為兩類

  • 電子模擬計算機: 處理的信息是連續(xù)變化的物理量，運算過程也是連續(xù)的
  • 電子數(shù)字計算機: 處理在時間上離散的數(shù)字兩藤滥，運算的過程不連續(xù)

通常所說的計算機都是值電子數(shù)字計算機

1.1.1 電子計算機發(fā)展

  1. 計算機的發(fā)展歷史
    1. 第一代鳖粟，1946-1958年，電子管計算機
    2. 第二代超陆，1958-1964年牺弹，晶體管計算機
    3. 第三代浦马，1964-1971年时呀，小、中規(guī)模集成電路(SSI晶默，MSI)計算機
    4. 第四代谨娜，1971-今天，大磺陡、超大規(guī)模繼承電路(LSI,VLSI)計算機
  2. 發(fā)展趨勢
    1. 微型計算機： 向更微型化趴梢、網(wǎng)絡(luò)化、高性能币他、多用途方向發(fā)展
    2. 巨型機：向更巨型化坞靶、超高速、并行處理蝴悉、只能化方向發(fā)展

1.1.2 存儲程序概念

世界上第一臺電子數(shù)字計算機是1946年2月在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生的ENIAC(ELectronic Numerical Integrator and Computer)彰阴。在研制ENIAC的同時，以美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮
·諾伊曼(John von Neumann)為首的研究小組提出了"存儲程序控制"的計算機結(jié)構(gòu)拍冠，并研制了EDVAC(ELectronic Variable Automatic Computer)尿这。EDSAC(ELectronic Delay
Storage Automatic Computer)吸收了馮·諾伊曼的設(shè)計思想成為事實上的第一臺存儲程序的計算機

  • 存儲程序概念
    • 1、計算機硬件應(yīng)由運算器庆杜、存儲器射众、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大基本部件組成
    • 2晃财、計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)
    • 3叨橱、將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作

1.2 計算機的硬件組成

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通常將運算器和控制器合稱為中央處理器（Central Processing Unit,CPU）断盛。在由超大規(guī)模集成電路構(gòu)成的微型計算機中雏逾，往往將CPU制成一塊芯片，稱為微處理器
中央處理器和主存儲器（內(nèi)存儲器）一起組成主機部分郑临。除去主機以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備栖博、輸出設(shè)備和輔助存儲器等）稱為外圍設(shè)備或外部設(shè)備

1.2.1 計算機的主要部件

1. 輸入設(shè)備

輸入設(shè)備的任務(wù)是將人編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并將它們轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式

2. 輸出設(shè)備

將計算機處理的處理結(jié)果輸出出來的設(shè)備

3. 存儲器

計算機能夠?qū)崿F(xiàn)“程序控制的基礎(chǔ)”

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4. 運算器

對信息進行處理和運算的部件經(jīng)常進行的運算是算術(shù)運算和邏輯運算厢洞，所以運算器又稱為算術(shù)邏輯運算部件(Arithmetic and Logical Unit,ALU)
運算器的核心是加法器仇让。運算器中還有若干通用寄存器或累加寄存器典奉，用來暫存操作數(shù)并存放運算結(jié)果

5. 控制器
控制器是整個計算機的指揮中心，它的主要功能是控制整個計算機的各個部件有條不紊地自動工作

1.2.2 計算機各大部件之間連接

1. 總線結(jié)構(gòu)

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所謂總線（Bus）是一組能為多個部件服務(wù)的公共信息傳誦線路丧叽，它能分時地發(fā)送與接受各部件的信息

  • 總線的結(jié)構(gòu)
    • 地址總線（Address Bus）: 用于尋址
    • 數(shù)據(jù)總線（Data Bus）: CPU可沿這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)卫玖，也可以向主存和外設(shè)送出數(shù)據(jù)
    • 控制總線（Control Bus）: 傳輸控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外設(shè)）返回CPU的反饋信號

1.2.3 不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

計算機設(shè)計者觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

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1.2.4 馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計思想

  • 馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)
  • 哈坲結(jié)構(gòu)
    timg.jpeg

目前許多現(xiàn)代微型計算機中的高速緩沖存儲器使用（Catche）采用哈佛結(jié)構(gòu)踊淳，而主存采用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)

1.3 計算機系統(tǒng)

一個完整的計算機系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分

  • 硬件：設(shè)備實體
  • 軟件：泛指各類程序和文件

1.3.1 硬件與軟件的關(guān)系

軟件與硬件是相輔相成假瞬、不可分割的整體

  • 硬件軟化：將原來由硬件實現(xiàn)的功能交由軟件模擬來實現(xiàn) 以增強系統(tǒng)功能
  • 軟件硬化：將由來由軟件實現(xiàn)的功能交由硬件來實現(xiàn) 以顯著降低軟件在時間上的開銷
  • 固件：固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程序，是具有軟件功能的硬件迂尝。固件的性能介于軟件和硬件之間脱茉，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點垄开，其執(zhí)行速度快于軟件琴许，靈活性優(yōu)于硬件是軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物

1.3.2 系列機和軟件兼容

  • 系列機：指一個廠家生產(chǎn)的溉躲，具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一系列不同型號的機器
  • 兼容
    • 向上(下)兼容：按某檔次編制的程序榜田，不加修改就能運行在比它更高（低）檔的機器上
    • 向前（后）兼容：某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改就能運行在它之前（后）投入市場的機器上

系列機的軟件向下和向前兼容可以不作要求锻梳，但必須保證向后兼容箭券，力爭做到向上兼容

1.3.3 計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)

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  • 第一級是微程序級：這級的機器語言是微指令編寫的微指令編寫的微程序一般是直接由硬件執(zhí)行的
  • 第二級是傳統(tǒng)機器級：這級的機器語言是該機的指令集，用機器指令編寫的程序由微程序進行解釋
  • 第三級是操作系統(tǒng)級：直接管理傳統(tǒng)機器的軟硬件資源疑枯，另一方面又是傳統(tǒng)機器的延伸
  • 第四級是匯編語言級
  • 第五級是高級語言級
  • 第六級是應(yīng)用語言級

1.4 計算機的工作過程和主要性能指標(biāo)

1.4.2 計算機的主要性能指標(biāo)

  • 1. 機器字長
    機器字長是指參與運算的基本位數(shù)辩块，它是由加法器、寄存器的位數(shù)決定的神汹，所以機器字長一般等于寄存器的大小庆捺。字長標(biāo)志著精度，字長越長屁魏，計算的精度就越高

  • 2. 數(shù)據(jù)通路寬度
    數(shù)據(jù)通路的寬度（這里指外部數(shù)據(jù)總線的寬度）：數(shù)據(jù)總線一次所能傳送信息的位數(shù)
    它影響到了信息的傳送能力滔以，從而影響計算機的有效處理速度

  • 3. 主存容量
    一個主存儲器所能存儲的信息量稱為主存容量

  • 4. 運算速度

    • (1) 吞吐量和響應(yīng)時間
      • 吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理請求的數(shù)量
      • 響應(yīng)時間是指系統(tǒng)對請求作出響應(yīng)的時間,包括CPU時間（運行一個程序所花費的時間）與等待時間（用于磁盤訪問、I/O操作氓拼、操作系統(tǒng)開銷等時間）的總和
    • (2) 主頻和CPU時鐘周期
      • 主頻：主頻又稱為時鐘頻率你画，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號振蕩的速度 以若干周期每秒來度量
      • CPU時鐘周期：主頻的倒數(shù)就是時鐘周期，這是CPU中最小的時間元素桃漾。每個動作至少需要一個時鐘周期
    • (3) CPI和IPC
      • CPI(Cycles per Instruction)：是指每條指令執(zhí)行所用的時鐘周期
      • IPC(Instructions per Cycle)：在現(xiàn)代高性能計算機中坏匪，由于采用各種并行技術(shù)，使指令執(zhí)行高度并行化撬统，常常是一個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)可以處理若干條指令适滓，所以CPI參數(shù)經(jīng)常用IPC(Instructions per cycle)表示
        IPC=\frac{1}{CPI}
    • (4) CPU執(zhí)行時間
      CPU執(zhí)行時間=\frac{CPU時鐘周期}{時鐘頻率}=\frac{指令數(shù)\times CPI}{時鐘頻率}
    • (5) MIPS和MFLOPS
      • MIPS(Million Instructions per Second)表示每秒執(zhí)行多少百萬條指令。對于一個給定的程序恋追，MIPS定義為:
        MIPS=\frac{指令條數(shù)}{執(zhí)行時間\times10^6}=\frac{主頻}{CPI}=主頻\times IPC
      • MFLOPS(Million Instructions per Second)表示每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算凭迹。對于一個給定的程序罚屋，MFLOPS定義為
        MFLOPS=\frac{浮點操作次數(shù)}{執(zhí)行時間\times 10^6}
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