计算机发展历程

一、计算机硬件发展

（1）计算机的四代变化

逻辑元件：用电信号控制的可进行逻辑运算的半导体开关元件、又称门电路或又称逻辑和电路。输出与输入是0与1

计算机采用二进制的主要原因：
1、计算机是由逻辑电路组成，逻辑电路通常只有两个状态，开关的接通与断开，这两种状态正好可以用“1”和“0”表示；
2、二进制中只使用0和1两个数字，传输和处理时不易出错，因而可以保障计算机具有很高的可靠性
3、1代表高电平，0代表低电平

电子管时代：第一代计算机

• 电子管作为逻辑元件
• 使用机器语言进行编程，技术人员需要在纸带上以打孔表示“0”、“1”代码
• 主存采用延迟线或磁鼓存储信息，容量小
• 体积庞大，成本高；运算速度低，一般只有每秒几千次到几万次

晶体管时代：第二代计算机

• 晶体管作为逻辑元件
• 运算速度提高到了每秒几万次到几十万次
• 主存采用磁心存储器
• 开始使用高级语言

中小规模集成电路时代：第三代计算机

• 中小规模集成电路作为逻辑元件
• 半导体存储器取代磁心存储器
• 高级语言发展迅速，操作系统问世

超大规模集成电路时代：第四代计算机

• 超大规模集成电路作为逻辑元件
• 微处理器问世
• 每秒千万次的巨型计算机开始进入科研、生产和社会生活的各个领域，软件产业得到快速发展

（2）计算机元件更新换代

摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍

仙童半导体公司：
1955年：晶体管之父”的肖克利，离开贝尔实验室返回故乡创建“肖克利半导体实验室”
1956年：八位年轻的科学家从美国东部陆续到达硅谷，加盟肖克利实验室
1957年：八位青年瞒着肖克利开始计划出走，创办仙童半导体公司
1968年：诺依斯和摩尔，脱离仙童公司自立门户，创办大名鼎鼎的英特尔（Intel）
1969年： 桑德斯带着7位仙童员工创办高级微型仪器公司（AMD）

半导体存储器发展：1970年，仙童半导体公司生产出第一个较大容量的半导体存储器，至今，半导体存储器和经历了11代：单芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB

微处理器发展：1971年，Intel公司开发出第一个微处理器Intel4004，是将控制器与运算器整合到一块芯片中。至今，微处理器经历8位、16位、32位、64位几个发展阶段，其中32位指的是机器字长，指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据位数

二、计算机软件发展

• 计算机语言发展经历了从面向机器的机器语言和汇编语言、面向问题的高级语言，其中高级语言的发展真正促进了软件的发展
• 直接影响计算机系统性能提升的各种系统软件也有了长足的发展，特别是操作系统

三、计算机的分类

• 电子计算机可分为电子模拟计算机和电子数字计算机
  • 电子模拟计算机：内部使用电信号来模拟自然界的实际信号，处理问题精度差，电路结构复杂，抗干扰能力极差
  • 电子数字计算机：是当今计算机行业中的主流，内部使用的是符号信号或数字信号的电信号，它的主要特点是“离散”，在相邻的两个符号之间不可能有第三种符号存在
• 数字计算机又可以按用途分为专用计算机和通用计算机，这是根据计算机的效率、速度、价格及运行的经济性和适应性划分的。
• 通用计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机6类，它们的体积、功耗、性能、数据存储量、指令系统复杂程度和价格依次递减

计算机系统层次结构

一、计算机系统的组成

一个完整的计算机系统分为硬件系统和软件系统

• 硬件就是指有形的物理设备，是计算机中实际物理装置的总称
• 软件就是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档

一个计算机系统性能的好坏，很大程度上是由软件的效率和作用来表征的，而软件性能的发挥又离不开硬件的支持。就像平常打游戏，画面的流畅程度可以反应出一台计算机的性能。

对于某一种功能，既可以用软件来实现，又可以用硬件来实现，则称为软硬件在逻辑上是等效的。

• 硬件实现具有更高的执行速度
• 软件实现具有更好的灵活性

二、计算机硬件的基本组成

（1）早期的冯.诺依曼机

冯.诺依曼早期提出“存储程序”的概念

“存储程序”是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序第一条指令，以后按程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束

冯.诺依曼机的特点：
1、计算机的硬件系统由运算器、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储在存储器中，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，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
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的中转与存储器传送数据。
在微处理器问世前，运算器和控制器是分离的，而且存储器的容量很小，因此设计成以运算器为中心的结构，其他部件都通过运算器来完成信息的传递

• 输入设备：将信息转换成机器可以识别的机器语言，也就是二进制代码
• 运算器：进行算术运算、逻辑运算等复杂运算
• 存储器：存储数据和程序的指令
• 控制器：协调各部件自动相互协助
• 输出设备：结果转换成人类可识别的语言

冯.诺依曼机的系统结构中，在控制器的指挥下，输入和输出设备输入一些数据给运算器进行算数运算或逻辑运算，如果产生中间结果，就会给存储器，计算完成结果给到输出设备。可以发现这种层次结构容易受到输入和输出设备的牵制，随着微电子科技进步，大量输入/输出设备的速度和cpu的速度相差悬殊，以运算器为中心的结构不能满足计算机发展的需求，现代计算机已发展为以存储器为中心，使输入/输出设备操作绕过CUP,直接与存储器之前完成，提升系统整体运行效率

（2）计算机功能部件

1 输入设备

输入设备主要功能是将程序和数据以机器能识别和接受的信息形式输入计算机。最常见的输入设备是键盘、鼠标、扫描仪等

2 输出设备

输出设备主要功能是将计算机处理的结果以人们能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出，最常见的输出设备是显示器、打印机

3 存储器

• 存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，分为主存储器（简称主存，也称内存储器）和辅助存储器（简称辅存，也称外存储器）
• CPU能够直接访问的存储器是主存储器，辅助存储器用于帮助主存储器存储更多的信息
• 主存储器的工作方式：按存储单元的地址进行存取，这种存取方式为按地址存取方式
• 目前采用半导体存储器来承担存储任务，一个半导体触发器有0和1两个状态，就可以记忆一个二进制码

存储器的基本结构

• 存储体：用于存放二进制信息，由许多个存储单元组成，每个存储单元包含若干个存储元件，每个存储元件储存一位二进制代码“0”或“1”，因此存储单元可以存储一串二进制代码，这串代码就称之为存储字，这串代码的位数为存储字长，存储字长可以是1B或者字节的偶数倍
  • 存储单元：数据存放的主要位置，存放多位二进制信息
  • 存储字：存储单元中存储的一串二进制代码
  • 存储字长：存储字的位数，可以是一个字节或字节的偶数倍
• 地址寄存器（MAR）：用于存放欲访问的存储单元地址，其位数对应存储单元的个数，例如：MAR为10位，则有1024个存储单元，记为1k
• 数据寄存器（MDR）：用于存放从存储单元中取出的数据,其位数与存储字长相等，一般为字节的偶数倍

注意点：

• MAR和MDR虽然是存储器的一部分，但是现在结构中是存在于CPU中的
• 高速缓存（Cache）也是存在于CPU中
• 数据在存储体中是按地址存储的，每个存储单元对应一个地址
• 区分字节Byte与字Word,1B = 8 bit ,一个字的大小区别于机器

4 运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算

• 算术运算：按算术运算规则进行的运算，如加、减、乘、除
• 逻辑运算：与或非比较等运算

运算器的基本结构

• 其中运算器的核心是算术逻辑单元（ALU）,是运算器中造价最昂贵，电路最复杂的部分
• 运算器中包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如：累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（X）、基址寄存器（BR），其中前3个寄存器是必须具备的
  • 累加器(ACC)：用于暂存操作数的运算结果
  • 乘商寄存器（MQ）:乘除运算时，存放操作数（乘数，乘积低位）及结果（商）
  • 操作数寄存器（X）：存放操作数（加、减、除运算从存储器中取出的数据暂存在X中，乘法运算从存储器中取出的数据暂存入MQ中）
    

运算器运算过程

（M） 表示从存储器中某一个存储单元中取出的数据
—>表示将内容送往寄存器

• 加法运算：假设ACC中已经存在一个数（被加数），那么首先从存储器中的存储单元中获取一个数（加数）送入操作寄存器X中，然后将二者相加的结果（和）重新放入ACC中

  加数： （M）—> X
  和： （M）+ （ACC）—> (ACC)

• 减法运算：假设ACC中已经存在一个数（被减数），那么首先从存储器中的存储单元中获取一个数（减数）送入操作寄存器X中，然后将二者相减的结果（差）重新放入ACC中

  减数： （M）—> X
  和： （ACC）- （M）—> (ACC)

• 乘法运算：假设ACC中已经存在一个数，那么首先从存储器中的存储单元中获取一个数（乘数）送入乘商寄存器MQ中，再将ACC中的数(被乘数)送入操作寄存器X中，随即将ACC中清零，然后将二者乘积结果放入ACC中，如果位数过长，则乘积高位放入ACC中，乘积低位放入MQ中

  乘数： （M）—> MQ
  被乘数： （ACC）—> X
  ACC清零： 0 —> （ACC）
  乘积： （X）* (MQ) —> ACC//MQ

• 除法运算：假设ACC中已经存在一个数，那么首先从存储器中的存储单元中获取一个数（除数）送入操作寄存器X中，结果放入MQ中作为整数部分，另一个放入ACC中作为余数

  除数： （M）—> X
  商： （ACC）/ （X）—> MQ
  余数： （ACC）%（X）—> ACC

5 控制器

控制器是计算机的指挥中心，由其指挥各部件自动协调的进行工作

指令

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序本质就是一系列按照顺序排列的指令，控制器靠指令指挥机器工作

指令 = 操作码 + 地址码
操作码：指示计算机要执行哪些操作
地址码：指执行这些操作的数据存放地址

控制器的基本结构

• 控制单元（CU）：控制器的核心部件，用于分析指令并发出各种控制信号来协调各部件完成指令所描述的操作
• 指令寄存器（IR）：存放当前欲执行的指令，其内容来自主存的MDR
  • 指令中的操作码OP(IR)送至CU,用来分析指令并发出各种微操作的命令序列
  • 指令中的地址码Ad(IR)送至MAR,用来获取操作数
• 程序计数器（IR）：用于存放欲执行指令的地址，可以自动+1形成吓一跳指令的地址，与主存的MAR之间有一条直接通路

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器（CPU）
CPU与主存储器共同构成主机，而除主机外其他硬件设备（外存、I/O设备等）统称为外部设备，简称外设

控制器过程

程序第一条指令的地址位于PC程序计数器中，根据PC取出第一条指令，经过译码、执行步骤等，控制计算机各功能部件协同运行，并完成这条指令的功能，并计算下一条指令的地址。

注：在微机原理中，CPU地址线、数据线和控制线
地址线：用于传输地址信息
数据线：用于数据通路

cpu在内存或硬盘里面寻找一个数据时，先通过地址线找到地址，然后再通过数据线将数据取出来

1. 取指令（PC）
   PC -> MAR -> M -> MDR -> IR

   根据PC取指令到IR 。 将PC的内容送到MAR（地址寄存器）,MAR中的内容直接送地址线，同时控制器将读信号送读/写信号线（控制器告诉存储器这次执行的是一次读出数据的指令），主存储器根据地址线上的地址和读信号，从指定存储单元读出指令，送到数据线上，MDR（数据寄存器）从数据线接受指令信息，并传送到IR中

2. 分析指令（IR）
   OP(IR) -> CU

   指令译码并送出控制信号。 控制器根据IR中指令的操作码（指令为地址码和操作码构成），生成相应的控制信号，送到不同的执行部件。在例子中，IR是取数指令，因此读控制信号被送到总线的控制线上

3. 执行指令（CU）
   Ad(IR) -> MAD -> M -> MDR -> ACC

   取数操作。 将IR中指令的地址码送MAR,MAR中的内容送地址线，同时控制器将读信号送读/写信号线，从主存指定存储单元读出操作数，并通过数据线送至MDR,再传送到ACC中

4. 此外，每取完一条指令，还须为取下一条指令做准备，形成下一条指令的地址，即(PC)+1 -> PC

计算机系统的多级层次结构

现代计算机是一个硬件与软件组成的综合体。而如果按功能再细分，可分为6层

• 第零级： 微程序级
  这一层的核心是计算机硬件控制单元。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件执行的。控制单元会逐条接收来自上层的机器指令，然后分析译码，产生一系列的操作控制信号，并由这些控制信号控制下层的逻辑部件按照一定的时间顺序有序地工作。

• 第一级：传统机器级
  这是面向计算机体系结构设计者的层次，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

• 第二级：操作系统级
  其核心就是操作系统，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。

  例如，当某一用户程序需要运行时，首先由操作系统将其调入内存中，这其中需要操作系统为其分配内存空间进行存储。

• 第三级：汇编语言级
  这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。高级语言首先被翻译成汇编语言，再进一步翻译成机器直接识别的机器语言。机器通过执行机器语言程序来最终完成用户所要求的功能。

• 第四级：高级语言级
  这级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。它由各种高级语言组成，如 C、C++、Java、Web编程语言等。这些高级语言提供该层用户为完成某一特定任务而编写高级语言程序。

• 第五级：应用语言级
  这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。，一般用户在使用计算机时所看见的就是这一层次，就是电脑桌面上使用的一些程序

机器语言,汇编语言,高级语言的主要特点及区别是什么

机器语言

机器语言是一种指令集的体系，它是用二进制代码表示的语言，是计算机唯一可以直接识别和执行的语言，它具有计算机可以直接执行、简洁、运算速度快等优点，但它的直观性差，非常容易出错，程序的检查和调试都比较困难，此外对机器的依赖型也很强。

汇编语言

汇编语言是面向机器的程序设计语言，它是为了解决机器语言难以理解和记忆的缺点，用易于理解和记忆的名称和符号表示机器指令中的操作码，这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言；于是汇编语言亦称为符号语言。

使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。

高级语言

高级语言为用户提供了一种既接近与自然语言，又可以使用数学表达式，还相对独立于机器的工作方式。与汇编语言一样，机器也不能直接执行用高级语言编写的程序。

高级语言并不是特指的某一种具体的语言，而是包括很多编程语言，如目前流行的java，c，c++，C#，pascal，python等等。

计算机性能指标

计算机主要性能指标

（1）主存储器容量指标

• MAR位数：反映存储单元个数（最多支持多少个）
• MDR位数：等于存储字长，等于每个存储单元大小

因此总容量 = 存储单元个数×存储字长（bit） = 存储单元个数×存储字长/8（Btye）

• 单位1B = 8bit --> 8位为一个字节
• 1KB = 1024B --> 2^10
• 1MB = 1024KB --> 2^10
• 1GB = 1024MB --> 2^10
• 1TB = 1024GB --> 2^10

例如：MAR为32位，MDR为8位，总容量就是2^32*8bit = 4GB

（2）运算器速度指标

1.CPU主频（时钟频率）

大家挑选电脑时，先看看这块CPU有多少个物理核心，是否支持超线程技术，以intel为例就决定了你选择i7、i5还是i3系列。再细分就是看CPU的主频高低问题。
其实这个频率多少多少GHz，其实指的是CPU内部的数字时钟信号频率，又称为时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度,是再CPU中有规律，有节奏的发生的，可以理解为控制CPU中各部件工作的一个节奏。
主频是衡量机器速度的重要参数，同一型号机器，主频越高，完成指令的一个执行步骤所用时间越短，执行指令速度越快。

2.CPU时钟周期

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数，是CPU中最小的时间单位，执行指令每个动作至少需要1个时钟周期

• 在第一脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔称之为周期，它的单位是秒（微秒，纳秒）
• 单位时间1s内所产生的脉冲个数称之为频率，频率的最基本计量单位就是赫兹Hz。1Hz就表示每秒钟有1个脉冲信号
• 时钟频率（f）与周期（T）两者互为倒数：f=1/T 。

之前学习的时候不理解为什么互为倒数，现在终于理解，就像我们跑10米需要1秒，那么1米我们就需要0.1秒。那么时钟频率和周期也是一样的，我1秒可以产生的时钟周期为10个，那么1周期就需要0.1秒，所以互为倒数。

例如：以我的CPU主频为1.8GHZ为例，意味着它内部的时钟频率是1.8GHz,每秒可以完成1.8亿个时钟周期，则一个时钟周期仅需1s/1.8×10^9

3.CPI（平均执行周期数）
表示每条计算机指令执行所需的时钟周期。
不同的指令时钟周期数可能不同，因此对于一个程序或一台机器来说，CPI指该程序指令集中的所有指令执行所需的平均时钟周期数，所以CPI是一个平均值

4.CPU执行时间
指运行一个程序所花费的时间

CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = （指令条数×CPI）/ 主频

例如：一个CPU的主频是1000Hz,执行一个程序包含100条指令，平均来看指令的CPI为3，该程序执行时间为: 100 × 3 × 1/1000 = 0.3s

• 指令条数 × 执行一条指令时钟周期数 × 一个时钟周期所需时间 = CPU运行一个程序所花费的时间
• 单个程序所运行所包含指令所运行的时钟周期总数 × 一个时钟周期所需时间 = CPU运行一个程序所花费的时间

以上表明CPU的运行速度取决于三个因素：

• 计算机主频，取决于计算机硬件
• 每条指令所用的平均时钟周期数CPI
• 指令条数，执行程序需要多少条指令

5.IPS
每秒执行多少条指令

IPS = 主频 / 平均CPI

每秒CPU的时钟周期数/执行一条指令的平均时钟周期数，就是每秒可以执行多少条指令

MIPS
每秒执行多少百万条指令

MIPS = 主频 / 平均CPI × 10^6

6.FLOPS
每秒执行多少次浮点运算

• MFLOPS
  每秒执行多少百万次浮点运算

• GFLOPS
  每秒执行多少十亿次浮点运算

• TFLOPS
  每秒执行多少万亿次浮点运算

注意：

• 在描述存储容量、文件大小时，K、M、G、T通常用2的幂次表示
• 在描述速率、频率等时，K、M、G、T通常用10的幂次表示

（3）系统整体性能指标

1.机器字长
指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数、加法器有关。因此，机器字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数表示范围越大，计算精度越高。计算机字长通常为字节的整数倍

机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系

• 机器字长： 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数
• 指令字长： 一个指令字中所包含的二进制代码的位数
  指令字长取决于操作码的长度、操作数地址和操作数地址的个数
• 存储字长： 存储字长指一个存储单元存储的二进制代码的长度

它们都必须是字节的整数倍

时钟周期、机器周期、指令周期的区别和联系

• 时钟周期： 时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数
• 机器周期： 在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期(状态周期)组成。
• 指令周期： 指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。

2.数据通路带宽
指数据总线一次能并行传送信息的位数，这里所说数据通路带宽是指外部数据总线的宽度，与CPU内部数据总线宽度（内部寄存器大小）有可能不同
（各硬件部件通过数据总线传输数据）

例如：计算机数据通路带宽为8bit,如果像传入16bit数据，总共需要两次数据的传输，两次数据的传输肯定是要比一次数据传输慢

3.运算速度

• 吞吐量： 指系统在单位之间内处理请求（可以理解为一条指令就是一个请求，也可以理解为一个程序就是一个请求）的数量。
  它取其于信息能多快地输入内存，CPU能多快获取指令，数据能多快从内存中取出或存入，以及所得到的结果多快从内存送给外部设备

  例如：一个购物网站的服务器一天可以接收数量庞大的HTTP请求，服务器每秒可以处理多少个请求就是它的吞吐量

• 响应时间： 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。
  例如：给女朋友发送一条微信，她多久可以回复就是女朋友的响应时间

4.基准程序
用来测量计算机处理速度的一种实用程序，就是我们所说的跑分软件，例如：鲁大师等

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