计算机组成原理第一章

1.1 计算机的发展

什么是计算机系统？

• 计算机系统=硬件+软件
  • 系统软件：用来管理整个计算机系统（eg：操作系统、数据库管理系统、标准程序库(DBMS)、网络软件、语言处理程序（高级语言——>低级语言）、服务程序（调试代码用的程序））
  • 应用软件：按照任务需要编制成的各种程序
• 计算机性能的好坏取决于硬件与软件的总和

硬件的发展

• 1946——第一台电子数字计算机：ENIAC，标志着电子管时代的到来
  • 占地170m^2
  • 耗电量150kW
  • 运算速度 5000次加法/s
  • 采用电子管作为基本逻辑器件（1.8W个）
• 1947——贝尔实验室发明晶体管，标志着晶体管时代的到来
  • 晶体管的体积、功耗更小
  • 出现了面向过程的程序设计语言fortran，有了操作系统雏形
• 1958——第一款集成电路问世，标志着中小规模集成电路时代的到来
  • 体积、功耗进一步降低，可靠性提高
  • 计算机主要用于科学计算
  • 高级语言迅速发展，同时出现了分时操作系统
• 大规模、超大规模集成电路时代
  • 开始出现微处理器、微型计算机、PC萌芽
  • 操作系统涌现（Macos、Linux、Windows……）

软件的发展

编程语言

• 机器语言
• 汇编语言（需要关心机器的各种特性）
• 高级语言（不需要关心机器的各种特性）
  • C++
  • Pascal
  • Fortran……

操作系统

DOS、Windows、Macos、Android……

目前的发展趋势——“两极分化”

• 一极为微型计算机更微型化、网络化、高性能、多用途（比如我们日常的电子设备）
• 一极是巨型计算机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展（比如神威·太湖之光，每秒可以支持9.3亿亿次的浮点运算）

1.2

早期冯·诺伊曼计算机

• ENIAC需要手动接线来控制计算，这样效率非常低，受限于接线员接线的速度,急需改进

• 冯诺伊曼提出“存储程序”的概念：将指令以二进制代码的形式事先输入到计算机的主存储器，然后按其在主存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束

• 第一台采用冯·诺伊曼体系结构的计算机EDVAC

• 冯诺伊曼体系结构

  

• 冯诺伊曼计算机的特点

  • 计算机由五大设备组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器
  • 指令和数据以同等地位放在存储器之中，可以按照地址进行访问
  • 指令和数据用二进制表示
  • 指令由操作码和地址码组成
  • 以运算器为中心
• 

主存储器的基本组成

• 存储体
• MAR（memory address register——存储地址寄存器）
• MDR（memory data register——存储数据寄存器）

• MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了每个存储单元的大小

运算器的组成

控制器的组成

计算机的工作过程

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计算机系统的层次结构

1.3 计算机的性能指标

存储器的性能指标

CPU的性能指标

CPI（clock cycle per instruction）：执行一条机器指令所需要的时钟周期

IPS（instruction per second）：每秒执行的指令数量

FLOPS（floating-point operations per second）：每秒指令的浮点操作

系统整体的性能指标

参考资料