【计算机组成原理与体系结构】硬件系统概述
目录
一、计算机的发展
二、计算机的硬件系统
三、硬件的工作原理
四、计算机系统的层次结构
五、计算机的性能指标
一、计算机的发展
第一代计算机:电子管计算机
第一台电子计算机:ENIAC(1946)
设计目的:计算导弹轨道
研制组顾问:冯诺依曼
特点:体积大、耗电量高、运算慢
第二代计算机:晶体管计算机
研制组:贝尔实验室
特点:相比电子管计算机,体积、功耗降低
第三代计算机:中小规模集成电路计算机
特点:将元件集成在基片上
应用领域:科学计算等专业领域,尚未步入个人生活
第四代计算机:大规模、超大规模集成电路计算机
特点:出现“微处理器”(CPU)、微型计算机、个人计算机(PC)萌芽
微处理器:微型计算机的发展较大程度上取决于微处理器的发展,而微处理器的发展又依赖于芯片的集成度和处理器主频的提高。
硬件的发展:
- 1947年,贝尔实验室,发明了“晶体管”,晶体管之父是威廉·肖克利;
- 1955年,肖克利在硅谷创建肖克利实验室股份有限公司;
- 1957年,从肖克利公司离职的“八叛徒”创建仙童半导体公司;
- 1959年,仙童半导体公司发明了“集成电路”;
- 1968年,仙童部分人离开仙童,创立了 Intel;
- 1969年,又有仙童人离开仙童,创立了 AMD;
摩尔定律:揭示了信息进步的速度,集成电路可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,集成电路的整体性能也将提升一倍。
二、计算机的硬件系统
冯诺依曼的“存储程序”概念:将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器,然后按其在主存储器中的首地址执行程序的第一条指令,以后就按该程序的规定顺序执行其它指令,直至程序执行结束。
第一台采用冯诺依曼体系结构的计算机:EDVAC
冯诺依曼体系结构:
- 采用二进制形式表示数据和指令,指令由操作码和地址码组成;
- 采用存储程序,即把编写好的程序和原始数据预先放入计算机主存储器中;
- 指令和数据以同等地位存于存储器,可按地址寻指令;
- 指令的执行是顺序的,即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行;
- 硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成;
- 计算机以运算器为中心,输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。
现代计算机体系结构:
现代计算机:以存储器为中心
CPU = 运算器 + 控制器
硬件系统五大部件:
- 存储器:存放指令和数据的部件;
- 运算器:在控制器的控制下,完成算术运算和逻辑运算;
- 控制器:对当前指令所需完成的操作进行译码分析,产生各个部件所需要的控制信号,通过向计算机的各个部件发送控制信号,使整个计算机自动、协调的工作;
- 输入设备:向计算机输入信息的设备;
- 输出设备:将计算机的处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。
三、硬件的工作原理
四、计算机系统的层次结构
第一层:微程序设计级。
第二层:机器指令系统级。
第三层:操作系统级,即虚拟机。
第四层:语言处理程序及其他系统软件级。
第五层:面向用户的应用程序级。
计算机体系结构:如何设计硬件与软件之间的接口
计算机组成原理:如何用硬件实现所定义的接口
五、计算机的性能指标
存储器的性能指标:
- 机器字长:计算机一次整数运算所能处理的二进制位数,它决定了寄存器、运算部件、数据总线的位数。
- 存储容量:存储容量包括主存储器容量和辅助存储器容量,主存指CPU可以通过地址线直接访问的存储器,如RAM、ROM等;辅存指主存以外的存储器,如磁盘、U盘等。
CPU的性能指标:
- 主频:CPU内数字脉冲信号振荡的频率,主频 = 1 / 时钟周期
- CPI:Cycle Per Instruction,执行一条指令所需的时钟周期数
- IPS:Instruction Per Second,每秒执行多少条指令,IPS = 主频 / CPI
- FLOPS:Float-point Operations Per Second,每秒执行多少次浮点运算
- 执行一条指令的耗时 = CPI * 时钟周期
- CPU执行时间 = 时钟周期数 / 主频 = (指令条数 * CPI) / 主频
系统整体的性能指标:
- 数据通路带宽:数据总线一次所能并行传送数据信息的位数
- 吞吐量:系统在单位时间内处理请求的数量
- 响应时间:用户向计算机发送请求,到系统对该请求做出响应并获得执行结果的等待时间
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