计算机组成原理 第1章 计算机系统概论

目录

• 第1章 计算机系统概论
  • 1.1、计算机的分类
  • 1.2、计算机的发展简史
    • 1.2.1、计算机的五代变化
    • 1.2.2、计算机的性能指标
  • 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
    • 1.3.5 适配器与输入/输出设备
  • 1.4、计算机的软件
    • 1.4.1、软件的组成与分类
  • 1.5、计算机系统的层次结构
    • 1.5.1、多级组成的计算机系统
    • 1.5.2、软件与硬件的逻辑等价性

第1章 计算机系统概论

1.1、计算机的分类

1. 电子模拟计算机

模拟计算机的特点是数值由连续量来表示。

2. 电子数字计算机

用数字来表示数量的大小，主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。

1.2、计算机的发展简史

1.2.1、计算机的五代变化

1. 第一代1946~1957年：电子管计算机。

计算机运算速度为每秒几千次至几万次，体积庞大，成本很高，可靠性较低。

2. 第二代为1958~ 1964年，晶体管计算机。

运算速度提高到每秒几万次至几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低。在此期间，工业控制机开始得到应用。

3. 第三代为1965~1971年，中小规模集成电路计算机。

可靠性进一步提高， 体积进一步缩小，成本进一一步下降，运算速度提高到每秒几十万次至几百万次。小型计算机开始出现。

4. 第四代为1972~ 1990年，大规模和超大规模集成电路计算机。

可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进- -步降低，速度提高到每秒1000万次至1 亿次。由几片大规
模集成电路组成的微型计算机开始出现。

5. 第五代为1991年开始的巨大规模集成电路计算机。

运算速度提高到每秒10 亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。

1.2.2、计算机的性能指标

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产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。

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，用百分比表示。

处理机字长：指处理机运算器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：-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，- .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(f)叫CPU的主频。度量单位是MHz(兆赫兹)、GHz(吉赫兹)。

​ 主频的倒数称为CPU时钟周期(T)，T=1/f， 度量单位是us、ns。

CPU执行时间：表示 CPU执行一般程序所占用的CPU时间，可用下式计算:
CPU执行时间=CPU时钟周期数XCPU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

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X 10)

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)

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。

1.3、计算机的硬件

1.3.1、硬件组成要素

数字计算机的主要组成结构有存储器，运算器、控制器、适配器、输入输出设备和系统总线。

1.3.2、运算器

运算器,它的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算。以及进行逻辑运算，因此通常称为ALU(算术
逻辑运算部件)。

1.3.3、存储器

具有保存数据的器件叫存储器，磁盘存储器和光盘存储器称为外存储器，半导体存储器称为内存储器，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地进行工作。

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

1.4.1、软件的组成与分类

1. 系统程序

   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及用途。

   • 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等
   • 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等
   • 操作系统
   • 数据库管理程序

2. 应用程序

   应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。

   • 如工程设计程序
   • 数据处理程序
   • 自动控制程序
   • 企业管理程序
   • 情报检索程序
   • 科学计算程序

1.5、计算机系统的层次结构

1.5.1、多级组成的计算机系统

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、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计、且得到下面各级的支持。

1.5.2、软件与硬件的逻辑等价性