1 计算机的发展

1.0 计算机发展历史

1.0.1 计算机的理论模型——图灵机

现代计算机产生于抽象的图灵机 (Turing Machine)

大半个世纪以来，数学家、计算机科学家提出了各种各样的计算模型，但最终都被证明是同图灵机等价的

1.0.2 第一台电子数字计算机——ENIAC

1946，美国宾夕法尼亚大学

每秒5000次加法运算，用于计算炮弹的弹道轨迹

缺点：

1，没有存储器

2，用布线板进行控制，控制效率极低

1.0.3 第一台现代意义上的计算机——EDVAC

1945年提出设计方案，1951年完成

占地面积和消耗电力只有ENIAC的1/3

每秒2000次乘法运算，或10000次加法运算

主要设计者为冯诺依曼

特点：

1，采用二进制表示数据和程序

2，使用“存储程序”的方式对计算机进行控制

1.1 计算机发展趋势

微型化—— 更高的集成度和更低的功耗

巨型化—— 更高速度的运算和更大的存储能力

网络化—— 更大范围的网络连接和更快捷的接入方式

智能化—— 更高级的人类认知能力

1.2 摩尔定律

半导体芯片上集成的晶体管数将每两年翻一番。

微处理器的性能将每隔两年提高一倍，而价格下降一倍。

发展方向：更快、更小、更便宜。

2 冯诺依曼机

计算机由五个部分组成。由这五部分组成的计算机，一般称为冯· 诺依曼机，我们目前使用的计算机都是冯· 诺依曼机。

1）控制器

控制器是指挥和控制计算机的所有部件协调工作的装置，是整个计算机的控制中枢，其功能是执行指令。

2）运算器

运算器是进行算术运算（如加、减、乘、除等）和逻辑运算（如非、与、或等）的装置。

核心组成部件是算术逻辑单元 (ALU，Arithmetic-Logic Unit)。

3）存储器

存储器是用来保存数据和程序的装置。

广义的存储器包含内存和硬盘，逻辑结构上的存储器仅指内存。

存储器由一系列存储单元组成，每一个存储单元有一个唯一的地址，所有的存储单元形成一个线性的存储空间。

按地址存取的工作方式：每次读、写存储器时都必须首先给出存储单元的地址，然后按照地址访问其中的内容。

4）输入设备

输入设备是用来输入数据和程序的装置，其功能是将外界的信息转换成机器内部的表示形式并传送到计算机内部。

常见的输入设备包括：键盘、鼠标、扫描仪、数字照相机等。、

5）输出设备

输出设备是用来输出数据和程序的装置，其功能是将计算机内部的数据和程序转换成人们所需要的形式并传送到计算机外部。

常见的输出设备包括：显示器、打印机、绘图仪等。

2.1 冯诺依曼机存储原理

1）采用二进制编码形式表示数据和程序；

2）要执行的程序存储在存储器中，计算机能够自动地依次从存储器中取出指令执行；

3）计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成。

2.2 冯诺依曼机逻辑结构

2.3 中央处理器CPU

运算器和控制器集成在一块芯片上成为中央处理器 CPU，其功能是解释和执行指令，是计算机的心脏。

2.4 总线结构

总线（bus）是指计算机部件与部件之间进行信息传输的一组公共信号线，是能为计算机的多个部件服务的公用的信息传输通路。

用于传送地址的总线称为地址总线。

用于传送数据的总线称为数据总线。

用于传送状态信号或命令信号的总线称为控制总线。

2.5 时钟频率、主频

系统时钟周期性地发出脉冲式信号，为各种操作建立同步信号。

通常在一个脉冲周期内，计算机完成一个基本操作。

系统时钟所发出的信号的频率称为时钟频率，通称主频。

CPU 的主频即CPU在一秒钟内能够完成的工作周期数。

时钟频率是计算机性能好坏的一个重要表征指标。一般而言，时钟频率越高，计算机速度越快。

时钟频率的单位是赫兹Hz，兆赫MHz，千兆赫GHz，1 MHz ＝100万赫兹，1GHz=1000 MHz.

3 计算机系统的组成

4 计算机的主要性能指标

4.1 运算速度

是指计算机每秒钟所能执行的指令条数.一般用“百万条指令／秒”来描述。

微型计算机一般采用主频来描述运算速度。

4.2 字长

字(Word, W)：计算机一次最多能同时加工处理的一串连续的二进制数码称为一个二进制字。字是计算机运算与操作数据时的最大单位。

字长(word size)：一个二进制字中所含二进制数码的位数称为字长。

字长：计算机在单位时间（每秒）内能处理的二进制信息的位数，字长越长，精度越高，速度越快。

4.3 内存容量

内存容量表示存储数据的容量大小，内存越大，速度越快。

4.4 硬盘容量

磁盘容量主要指硬盘存储量的大小，硬盘容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。

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1.0.3 第一台现代意义上的计算机——EDVAC

1.1 计算机发展趋势

1.2 摩尔定律

2 冯诺依曼机

2.1 冯诺依曼机存储原理

2.2 冯诺依曼机逻辑结构

2.3 中央处理器CPU

2.4 总线结构

2.5 时钟频率、主频

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4 计算机的主要性能指标

4.1 运算速度

4.2 字长

4.3 内存容量

4.4 硬盘容量

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2.3 中央处理器CPU

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