计算机组成原理——第一章（计算机系统概述）笔记

【考核内容】
（一）计算机系统层次结构
            计算机系统的基本组成
            计算机硬件的基本组成
            计算机软件和硬件的基本关系
            计算机系统的工作原理：“存储程序”方式、高级语言程序与机器语言程序的转换、程序和指令的执行过程

（二）计算机新能指标
            吞吐量、响应时间、CPU始终周期、主频、CPI、CPU执行时间
            MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLPOPS、EFLOPS、ZFLOPS
【复习提示】

本章可能纵隔后续章节的内容出有关新能分析的综合体，或者是有关概念和性能指标的选择题
思考题
1）计算机由哪几部分组成？以那部分为中心
2）主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？为什么？
3）翻译程序、汇编程序、编译程序、解释程序有什么差别？各自的特性是什么？
4）不同级别的语言编写的程序有什么区别？哪种语言编写的程序能被硬件直接执行？

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1.1 计算机发展历程（了解）

1.1.1计算机硬件的发展（了解）

1、计算机的四代变化
  从1946年时间上第一台电子数字计算机问世以来，计算机发展历经了四代
1.第一代计算机（1946——1957）——电子管时代。

• 特点：逻辑元件采用电子管。使用机器语言编程。主存用延迟线或磁鼓春初信息，容量绩效。体积庞大，成本高。运算速度较低。一般只有几千次到上万次每秒

2.第二代计算机（1958——1964）——晶体管时代。

• 逻辑元件采用晶体管。运算速度提高到几万次到十几万次每秒，贮存使用磁极纯初期。急速那几软件也得到了发展，开始出现高级语言及其编译程序，有了操作系统的雏形。

3.第三代计算机（1965——1971）——中小规模集成电路时代

• 逻辑元件采用中小规模集成电路。半导体存储器开始取代磁极存储器。高级语言发展迅速，操作系统也进一步发展，开始有了分时操作系统。

4.第四代计算机（1972年至今）——超大规模集成电路时代

• 特点：逻辑元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路。惨胜了微处理器。诸如并行、流水线、高速缓存和虚拟存储器等概念用在了这代计算机中。

2、计算机元件的更新换代
1.摩尔定律。

• 当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将增加一倍。也就是说，我们现在和18个月后花同样的钱买到的CPU，后者的性能是前者的两倍。这一定律解释了信息技术的进步速度。

2.半导体存储的发展。

• 1970年，仙童半导体公司生产出第一个较大容量的半导体春初期，至今，半导体春初期经历了11代。单芯片 1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和现在的1GB

3.微处理器的发展。

• 自1971年Intel公司开发出第一个微处理器Intel 4004 至今，微处理器经历了Inter 8008（8位）、Inter 8086（16位）、Inter 80386（32位）、Pentium（32位）、Pentium III（64位）、Pentium 4（64位）、Core i7（64位）等。这里的32位、64位指的是机器字长，是指计算机进行一次证书运算所能处理的二进制数据的位数。

1.1.2 计算机软件的发展（了解）

    计算机软件技术的蓬勃发展，也为计算机系统的发展做出了很大的贡献。
    计算机语言的发展历史经历了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，他经历了从科学计算和工程计算的FORTRAN、结构化程序设计和PASCAL到面向对象的C++和适应网络环境的Java。
    与此同时，直接影响到计算机系统新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，如Windows、UNIX、Linux等。

1.2 计算机系统层次结构

1.2.1 计算机系统的组成

    硬件系统和软件系统功能构成了一个完整的计算机系统。硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总成，软件是指在硬件上运行的程序和相关数据及文档
    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现的，而软件性能的发挥又离不开硬件的支持。对某一功能来说，其可以用软件实现，又可以用硬件实现，则称为软硬件在逻辑上是等效的。在设计计算机系统时，要进行软/硬件的功能分配。通常来说，一个功能若使用较为频繁且用硬件实现的成本较为理想，使用硬件解决可以提高效率

1.2.2 计算机硬件

1. 冯·诺依曼机基本思想
       冯·诺依曼在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念位基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机，其特点如下：
   （1）采用“存储程序”的工作方式。
   （2）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件。
   （3）指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机能区分它们。
   （4）指令和数据军用二进制代码表示。指令由操作码和地址码组成，操作码支出操作的类型，地址码支出操作数的地址。
       “存储程序”的基本思想时：将事先编制好的程序和原始数据送入主存后才能执行，一旦程序被气动执行，就无需人员敢于，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束。
2. 计算机的功能部件
   （1）输入设备
   输入设备的主要功能时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。最常用也最基本的输入设备是键盘，此外还有鼠标、草庙一、摄像机等。
   （2）输出设备
   输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统要求所要求的信息形式输出。最常用、也最基本的输出设备是显示器、打印机。输入/输出设备（简称I/O设备）是计算机与外界联系的桥梁，是计算机中不可缺少的重要组成部分。
   （3）存储器
   存储器分为主存储器（又称内存储器）和辅助存储器（又称外存储器）。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记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能位CPU所访问。
   主存储器的工作方式是按照存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式。
   
   主存储器的最基本组成如图1.1所示。存储体存放二进制信息，地址寄存器（MAR）存放访问地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器（MDR）用于暂存要从存储器中读或写的信息。时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号
   （4）运算器
   （5）控制器