计算机系统概论

  • 第1章 计算机系统概论
    • 1.1 计算机分类
    • 1.2 计算机的发展简史
      • 1.2.1 计算机的五代变化
      • 1.2.2 半导体存储器的发展
      • 1.2.3 微处理器的发展
      • 1.2.4计算机的性能指标（重点）
    • 1.3 计算机的硬件
      • 1.3.1 硬件组成要素
      • 1.3.2 运算器
      • 1.3.3 存储器
      • 1.3.4 控制器
        • 1. 计算程序
        • 2. 指令的形式
        • 3. 控制器的基本任务
        • 4. 指令流和数据流
      • 1.3.5 适配器与输入输出设备
    • 1.4 计算机的软件
    • 1.5 计算机系统的层次结构
  • 本章总结

第1章 计算机系统概论

1.1 计算机分类

计算机从总体上说分为两大类：电子模拟计算机 和 电子数字计算机。

电子模拟计算机由于精度和解题能力优先，所以应用范围较小。电子数字计算机不同，它是一近似于人类的“思维过程”来工作的，所以有人把它叫做电脑。它的发明与发展是20世纪人类最伟大的科学技术成就之一，也是现代科技发展水平的主要标志。

数字计算机进一步可以分为专用计算机和通用计算机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但它的适应性很差。通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。

通用计算机可分为超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机和多核机六类。

1.2 计算机的发展简史

1.2.1 计算机的五代变化

世界上第一台电子数字计算机是 1946 年在美国宾夕法尼亚大学制成的。自从这台计算机问世以来，计算机的发展大致经历了五代的变化：

  • 第一代为 1946~1957，电子管计算机。数据处理机开始得到应用。
  • 第二代为 1958~1964，晶体管计算机。工业控制机开始得到应用。
  • 第三代为 1965~1971，中小规模集成电路计算机。小型计算机开始出现。
  • 第四代为 1972~1990，大规模和超大规模集成电路计算机。微型计算机开始出现。
  • 第五代为 1991~至今，巨大规模集成电路计算机。单片计算机开始出现。

1.2.2 半导体存储器的发展

1970 年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器。
从 1970 年起，半导体存储器经历了许多代、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB…至今仍在不断发展。

1.2.3 微处理器的发展

1971 年 Intel 公司开发出 Interl 4004。这是第一个将 CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理诞生了。
1972 年出现的 Intel 8008，这是一个8位微处理器，它比 4004 复杂一倍。
1974 年出现了 Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而 4004 和 8008 是为特殊用处而设计的。8080 是为通用微机而设计的中央处理器，它与 8008 一样，都是 8 位微处理器，但 8080 更快，有更丰富的指令集和更强的寻址能力。
20世纪70年代末，才出现强大的通用 16 位微处理器，Intel 8086 便是其中之一。
1981 年，贝尔实验室和 HP公司开发出 32 位 单片微处理器。Intel 于 1985年推出32位微处理器 Interl 80386.

1.2.4计算机的性能指标（重点）

  • 吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。

  • 响应时间：表征从输入有效到系统被实际使用的时间所占的比率，百分比表示。

  • 利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，百分比表示。

  • 处理机字长：指处理机运算中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64位。

  • 总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

  • 存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用 KB、MB、GB、TB来表示。

  • 存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

  • 主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率教CPU的主频。度量单位是 MHz（赫兹子）、GHz（吉赫兹）。
    主频的倒数称为CPU时钟周期（T），度量单位是 微秒，纳秒。

  • CPU执行时间：表示CPU执行一般程序锁占用的CPU时间，可用下式计算：
    CPU执行事件=CPU时钟周期数∗CPU时钟周期CPU执行事件 = CPU 时钟周期数 * CPU 时钟周期CPU执行事件=CPU时钟周期数∗CPU时钟周期

  • CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：
    CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数∗程序包含的指令条数CPI = 执行某段程序所需的 CPU 时钟周期数 * 程序包含的指令条数CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数∗程序包含的指令条数

  • MIPS(Million Instructions Per Second)的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，用下式计算：
    MIPS=指令数/(程序执行时间∗106)MIPS = 指令数 / (程序执行时间*10^6)MIPS=指令数/(程序执行时间∗106)

  • FLOPS(Floating-point Operations Per Second)的缩写，表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算：
    FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间(s)FLOPS = 程序中的浮点操作次数 / 程序执行时间(s)FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间(s)

下面看两道例题：

1.3 计算机的硬件

1.3.1 硬件组成要素

  • 运算器
  • 存储器
  • 控制器
  • 输入输出设备

1.3.2 运算器

运算器的主要功能是进行加，减，乘，除等算计运算。除此之外，还可以进行逻辑运算，因此通常成为 ALU(算术逻辑运算部件)。

人们习惯于十进制数的运算，但是考虑到电子器件的特性，计算机中通常采用二进制数。二进制和十进制意义，在运算中，当前的位数越多时，计算的精度就越高。理论上讲，数的位数可以任意多。但是位数越多，所需的电子器件也越多，因此运算器的长度一般是 8 位，16 位，32 位，64 位。

1.3.3 存储器

存储器的功能是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。为此，在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。

注意，无论是数据，还是解题步骤，在存放到存储器以前，它们全已变成 0 或 1 表示的二进制代码。那么大量的 0，1 代码在存储器中如何保存呢？

目前采用半导体器件来担当此任务。我们知道，一个半导体触发器有 0 和 1 两个状态，可以记忆一个二进制代码。一个数假定用 16 位二进制代码来表示，那么就需要有 16 个触发器来保存这些代码。通常，在存储器中把保存一个数的 16 个触发器成为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为地址。向存储器中保存或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元。

存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位 KB，MB 来表示，如 64KB，128MB。存储容量越大，表示计算机记忆存储的信息越多。

半导体存储器的存储容量毕竟有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储区和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器成为内存储器，简称内存。

1.3.4 控制器

控制器是计算机中发号施令的部件，它控制计算机的各部件有条不紊的进行工作。更具体地讲，控制器的任务是从内存中取出阶梯步骤加以分析，然后执行某种操作。

1. 计算程序

运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及其他一些辅助操作。对于比较复杂的计算题目，计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做。每一个基本操作就叫做一条指令，而解决某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序，简称为程序。

2. 指令的形式

每条指令应当明确告诉控制器，从存储器的哪个单元取数，并进行何种操作。指令的内容由两部分组成，即操作的性质和操作数的地址。前者称为操作码，后者称为地址码。指令的形式如下：

操作码 地址码

其中操作码指出指令所进行的操作，如加、减、乘、除、取数、存数等；
而地址码表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元中来，或运算的结果应该存到哪个单元中去。

假定只有 8 种基本指令，那么这 8 种指令的操作码可用 3 位二进制代码来定义，如下：

上图将操作码部分变成了二进制代码。假如把地址码部分和数据也换成二进制数，那么整个存储器的内容全部变成了二进制的代码或数据，如图1.5。

由上图可知，指令数码化后，就可以和数据一样放入存储器。存储器的任何位置既可以存放数据也可以存放指令，不过一般是将指令和数据分开存放。将解题的程序（指令序列）存放到存储器中成为存储程序，而控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算机任务叫做程序控制。

存储程序并按地址顺序执行，这就是冯·诺依曼计算机的设计思想，也是机器自动化工作的关键。指令和数据放在同一个存储器，成为冯·诺依曼模型。如果指令和数据分别存放在两个存储器，成为哈佛结构。显然后者结构的计算机速度更快。

一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成了该计算机的指令系统。指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础。因此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志。

3. 控制器的基本任务

上面我们已经知道，计算机进行计算时，指令必须是按照一定的顺序一条接一条地进行。控制器的基本任务，就是按照计算程序所排的指令序列，先从存储器中取出第一条指令放到控制器中，对该指令的操作码进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。以此类推。通常把取指令的一段时间称作取值周期，而把执行指令的一段时间叫做执行周期。因此，控制器反复交替地处在取值周期与执行周期中。

每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加1，从而为取出下一条指令做好准备，这也就是指令为什么在存储器中顺序存放的原因。

早期的计算机术语中，把运算器和控制器合在一起成为中央处理器，简称CPU。目前存储器也放到CPU芯片中，成为中央处理器。

4. 指令流和数据流

由于计算机仅使用 0 和 1 两个二进制数字，所以使用 “位”（bit） 作为数字计算机的最小信息单位。当CPU向存储器送送入或从存储器取出信息时，不能存取单个的“位”，而用 B（字节） 和 W（字）等较大的信息单位来工作。一个 “字节” 由 8 位二进制信息组成，而一个 “字” 则至少由一个以上的字节组成。通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。例如，微型机的字长可以是 8 位，也可以达到 64 位。

由于计算机使用的信息既有指令又有数据，所以计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如果某字代表要处理的数据，则成为数据字；如果某字为一条指令，则成为指令字。

控制器可以区分哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器。而在执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。

1.3.5 适配器与输入输出设备

计算器的输入/输出设备通常成为外围设备。它们不是直接与高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相联系。适配器的作用相当于一个转换器，它可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的的形式发送或接收信息。一个典型的计算机系统具有各种类型的外围设备，因而有各种类型的适配器，它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作。

除了上述各部件外，计算机系统中还必须有总线。系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共道路。借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。

1.4 计算机的软件

计算机软件一般分为两大类：系统程序 和 应用程序。

1.5 计算机系统的层次结构

本章总结

习惯上所称的 “电子计算机” 是指现在广泛应用的电子数字计算机，它分为专用计算机和通用计算机两大类。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。通用计算机分为超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机、多核机六类，其结构复杂性、性能、价格依次递减。

计算机的硬件是由有形的电子器件等构成，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。早起将运算器和控制器合在一起称为 CPU（中央处理器）。目前的 CPU 包括了存储器，因此称为央处理机。存储程序并按地址顺序执行，这是冯·诺依曼型计算机的工作原理，也是 CPU 自动工作的关键。

计算机的软件是计算机系统结构的重要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备所在。计算机软件一般分为两大类：系统程序和应用程序。系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途，它包括：各种服务型程序，语言类程序，操作系统，数据库管理系统。应用程序是针对某一应用课题领域开发的软件。

计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构，它通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级程序级组成，每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。

计算机的性能指标主要是 CPU 性能指标、存储器性能指标 和 I/O 吞吐率。

【计算机组成原理】第1章 计算机系统概论相关推荐

  1. 第一章计算机系统概述答案,1第一章计算机系统概论.ppt

    1第一章计算机系统概论,计算机系统概论,计算机系统概论pdf,计算机系统概论答案,计算机系统概论英文,计算机系统概论下载,计算机系统概论中文,民航概论ppt第一章,饭店概论第一章课件,秘书学概论第一章 ...

  2. 计算机组成原理白中英第七章,计算机组成原理第七章课件(白中英版).ppt

    <计算机组成原理第七章课件(白中英版).ppt>由会员分享,可在线阅读,更多相关<计算机组成原理第七章课件(白中英版).ppt(32页珍藏版)>请在人人文库网上搜索. 1.计算 ...

  3. 计算机组成原理第五课,计算机组成原理第五章课件(白中英版).ppt

    <计算机组成原理第五章课件(白中英版).ppt>由会员分享,可在线阅读,更多相关<计算机组成原理第五章课件(白中英版).ppt(103页珍藏版)>请在人人文库网上搜索. 1.第 ...

  4. 计算机组成原理 | 第三章《运算方法和运算部件》学习笔记

    计算机组成原理 | 第三章<运算方法和运算部件>学习笔记 引言 & 声明 第一章 计算机系统概论 第二章 计算机中数据的表示方法 第三章 运算方法和运算部件 3.1& 算术 ...

  5. 西安交大计算机组成原理第六章,《计算机组成原理》西安交通大学教学文献.pdf...

    计算机组成原理 I J 修订版 马 桂 祥 主编 朱 怀 芳 主审 西南交通大学出版社 成都 内 容 简 介 K K K 本书由浅入深 理论联系实际 系统讲述冯 诺依曼单机体系的基本概念和组成 并对各 ...

  6. 计算机组成原理第一章课件,计算机组成原理ppt 第一章课件.ppt

    计算机组成原理ppt 第一章课件 计算机组成原理;教材白中英,计算机组成原理·网络版,科学出版社,2002参考书石磊,计算机组成原理·第2版, 清华大学出版社,2006钱晓捷,微型计算机原理及应用, ...

  7. 计算机组成原理在线测试,计算机组成原理第01章在线测试

    计算机的运算方法,第 六 章,1. 最少用几位二进制数即可表示任一五位长的十进制正整数? 解:五位长的十进制正整数中,最大的数99999满足条件:216(=65536)99999217(=131072 ...

  8. 计算机组成原理 输入输出系统,计算机组成原理(第七章输入输出系统

    计算机组成原理(第七章输入输出系统 (6页) 本资源提供全文预览,点击全文预览即可全文预览,如果喜欢文档就下载吧,查找使用更方便哦! 9.9 积分 第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一. 外围 ...

  9. 计算机组成原理 外部设备分为,2017考研计算机组成原理第七章考点：外部设备...

    2017考研计算机组成原理第七章考点:外部设备 2016-03-15 13:33 | 考研集训营 对于参加计算机统考的学生来说,2017考研的准备工作需要提前进行,因为计算机考研专业课涵盖了四门科目, ...

最新文章

  1. apache评分表的意义_APACHE评分系统及评分表
  2. PHP为什么以及什么时候使用单例模式？
  3. 如何在VS和CB中配置MySQL环境
  4. SpringBoot2.X （2）- 使用Spring Initializer 快速创建项目
  5. butterfly配置 hexo_Hexo博客之butterfly主题优雅魔改系列（持续更新）
  6. 数字展示领域该这样用 沉浸式方案应用解读
  7. [转载] python不允许使用关键字_Python中关键字global与nonlocal的区别
  8. Python---HTML表单
  9. CSS hover 改变另外一个元素状态
  10. 【Python】基于Python的百度迁徙1——迁入、迁出数据（附代码）
  11. 无法打开包括文件: “ui_XXX.h”: No such file or directory
  12. R语言读取（加载）txt格式数据为dataframe、按照指定字段（数据列）对dataframe进行升序排序（ascending）
  13. python怎样用填充颜色_python中如何给图形填充颜色
  14. 视频目标检测入门介绍
  15. 专注少儿成长，掌门少儿打造多维思维启蒙体验
  16. Fiddler简单的使用教程
  17. [sensorhub]MT6752/32平台sensor hub KK和L版本配置方法
  18. 深度优先搜索及python实现围棋“吃子”
  19. 零售行业业务流程自动化-零售行业RPA机器人流程自动化解决方案
  20. python实现火车票监控

热门文章

  1. 想赚钱，赚大钱，必须要有商业思维
  2. 商业认知，市场总是不按常理出牌
  3. 选ac+ap还是mesh方案？
  4. CSU计算机图形学复习
  5. Mybatis_day4_Mybatis的注解开发
  6. mysql屏蔽_MySQL中的企业数据屏蔽
  7. 寡头时代——新的希望还是？
  8. Chemical table CFR500 div2D（并查集）
  9. vertical-align和line-height的深入应用
  10. C++中未初始化的bool值的问题