系列文章目錄

第一章 計算系統(tǒng)概論
第二章 運算方法和運算器
第三章 多層次的存儲器
第四章 指令系統(tǒng)
第五章 中央處理器
第六章 總線系統(tǒng)
第七章 外圍設(shè)備

前言

【 第一章 計算機系統(tǒng)概論 】

1.1 計算機的分類

一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。

• 電子模擬計算機
  • “模擬”就是相似的意思。
  • 模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。
• 電子數(shù)字計算機
  • 它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。
  • 數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。
• 數(shù)字計算機與模擬計算機的主要區(qū)別:
  

二、數(shù)字計算機分類

• 數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：
  • 專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。
  • 通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。

三、通用計算機分類

• 通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為：
  • 超級計算機、大型機、服務(wù)器、PC機、單片機、多核機
    

1.2 計算機發(fā)展簡史

1.2.1 計算機的五代變化

• 第一代為1946—1957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理
• 第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業(yè)控制
• 第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機
• 第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機
• 第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機

1.2.2 半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展

• 20世紀(jì)50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)
• 1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器
• 從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。
• 其中1K=2¹⁰,1M=2²⁰,1G=2³⁰

1.2.3 微處理器的發(fā)展

• 1971年Intel公司開發(fā)出Intel 4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。
• 微處理器演變中的另一個主要進步是1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。
• 1974年出現(xiàn)了Intel 8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計的。8080是為通用微機而設(shè)計的中央處理器。
• 20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。
• 這一發(fā)展趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。
• Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。
• 到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器

1.2.4 計算機的性能指標(biāo)

• 吞吐量：
  • 表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量
  • 單位是字節(jié)/秒（B/S）。
• 響應(yīng)時間：
  • 表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量
  • 例如微秒（10^-6S）、納秒（10^-9S）。
• 利用率：
  • 表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。
• 處理機字長：
  • 指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。
  • 當(dāng)前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高。
• 總線寬度：
  • 8 一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。
• 存儲器容量：
  • 存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。
  • 其中K=2¹⁰，M=2²⁰，G=2³⁰，T=2⁴⁰，B=8位（1個字節(jié)bit）。
  • 存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。
• 存儲器帶寬：
  • 存儲器的速度指標(biāo)，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量
  • 一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。
• 主頻/時鐘周期：
  • CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。
  • 度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz～266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz
• CPU時鐘周期（T）：
  • 主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f
  • 度量單位是微秒、納秒。
• CPU執(zhí)行時間：
  • 表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：
  • PU執(zhí)行時間 ＝ CPU時鐘周期數(shù) × CPU時鐘周期
• CPI：
  • 表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。
  • 計算公式：
    
• MIPS：
  • 表示每秒執(zhí)行百萬條指令數(shù)
  • 計算公式：
    
• 程序執(zhí)行時間Te為：
  
• MFLOPS:
  • 表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，
  • 計算公式：
    
• MIPS 是單位時間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機器速度越快。
• MFLOPS 是基于操作而非指令的，只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。
• TFLOPS 表示每秒萬億次浮點操作次數(shù)，該技術(shù)指標(biāo)一般在超級計算機中使用。

1.3 計算機的硬件

1.3.1 硬件組成要素

一、手工模仿計算機工作

二、數(shù)字計算機基本組成

• 控制器：人的大腦的操作控制功能
• 運算器：人的大腦的計算功能
• 存儲器：人的大腦記憶功能
• 輸入設(shè)備：交互接口，筆
• 輸出設(shè)備：交互接口，紙

三、馮·諾依曼型計算機文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-444087.html

• 存儲程序
• 按地址自動執(zhí)行
• 五大部件：控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備
• 以運算器為中心
• 馮·諾依曼型計算機：
  
• 計算機的組成結(jié)構(gòu)
  

1.3.2 運算器

• 算術(shù)運算和邏輯運算
• 在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的
• 運算器的長度一般是8、16、32或64位
  

1.3.3 存儲器

• 存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）
• 容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）
• 分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存
• 存儲器單位：
  • 1KB ＝ 2¹⁰B
  • 1MB ＝ 2²⁰B
  • 1GB ＝ 2³⁰B
  • 1TB ＝ 2⁴⁰B
    

1.3.4 控制器

• 指令和程序：指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）
• 指令和數(shù)據(jù)存儲
• 控制器的基本任務(wù)
  • 控制器的基本任務(wù)：
    • 按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。
    • （取指周期和執(zhí)行周期）
  • 控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。
    • 一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；
    • 而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。
      

1.3.5 適配器與I/O設(shè)備

• 現(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的
• 計算機硬件
  • 輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式
  • 輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式
  • 適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作
  • 總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。

1.4 計算機的軟件

1.4.1 軟件的組成與分類

• 計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件
• 計算機軟件主要有兩大類：軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)
• 系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：
  • 各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等
  • 語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等
  • 操作系統(tǒng)
  • 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
• 應(yīng)用軟件：
  • 用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序
  • 如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等

1.4.2 軟件的發(fā)展演變

• 編程語言的發(fā)展
  • 手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼
  • 匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編
  • 高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序
• 系統(tǒng)軟件的發(fā)展
  • 操作系統(tǒng)
  • 分布式系統(tǒng)軟件

1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.5.1 多級計算機系統(tǒng)

• 計算機不能簡單地認為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。
• 它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設(shè)計，如圖所示：
  
• 五級計算機層次系統(tǒng)
  • 第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。
  • 第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。
  • 第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。
  • 第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。
  • 第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。

1.5.2 軟件與硬件邏輯等價性

• 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。
• 任何操作可以由軟件來實現(xiàn)也可以有硬件來實現(xiàn)（設(shè)計計算機系統(tǒng)時，應(yīng)考慮各個方面的因素：價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期）
• 實體硬件機功能的擴大
• 固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）

【 第一章 總結(jié) 】

• 計算機系統(tǒng)的 基本概念
  • 構(gòu)成：硬件和軟件
  • 層次結(jié)構(gòu)
• 計算機系統(tǒng)的基本工作原理
• 計算機的基本組成部分
  • 五大部件
• 馮·諾依曼型計算機特點
• 計算機發(fā)展特點

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