计算机组成原理一(考研)
计算机系统概述
要点
1、冯•诺依曼计算机的基本特定和指令执行的过程(****)
2、计算机的各种性能指标(***)
计算机——具备计算功能的机器
世界上第一台电子数字积分计算机于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚州的宾夕法尼亚大学诞生,简称埃尼阿克(ENIAC)。
世界上第一台计算机是阿塔纳索夫-贝瑞计算机(Atanasoff–Berry Computer,简称ABC计算机)。
ENIAC与ABC的相关链接
计算机硬件
定义:指组成计算机的各种物理设备,也是我们看得见,摸得着的实际物理设备。
分类
运算设备:CPU、GPU
存储设备:内存条、SD卡、硬盘、U盘、光盘、软盘等
IO(输入、输出)设备:显示器(LED屏、LCD屏)、鼠标、键盘、写字板、麦克风、摄像头、音箱 等
计算机硬件的发展
摩尔定律
当价格不变时,集成电路上可以容纳的元器件的数量,约每隔18至24个月便会增加一倍,性能也会提升一倍。换句话说就是:每一美元所能买到的计算机性能,将每隔18至24个月翻一倍以上。这一定律也揭示了信息技术进步的速度。
计算机硬件发展
第一代计算机:(1946——1957)————电子管
主要特点:电子管作为开关器件、使用机器语言、可存储信息、输入/输出很慢
第二代计算机:(1958——1964)————晶体管
主要特点:晶体管代替电子管、采用磁芯存储器、汇编语言取代机器语言
第三代计算机:(1965——1971)————中小规模集成电路
主要特点:中小规模集成电路代替晶体管、操作系统诞生
第四代计算机:(1972年至今)————超大规模集成电路
主要特点:采用集成度很高的电路、处理器诞生
第五代计算机:智能计算机
主要特点:运算速度极快、具备人工智能,可以像人一样思考。神经网络计算机就是其中主要代表
第六代计算机:生物计算机与量子计算机
主要特点:
生物计算机——发挥生物本身的调节机能,自动修复芯片上发生的故障,还能模仿人脑的机制等
量子计算机——运算速度快
从第一代到第四代,计算机体系结构都是相同的,即都由控制器、存储器、运算器、输入和输出设备组成,这样的体系结构被称为冯•诺依曼体系结构。
计算机分类
专用计算机
针对某类问题能显示出最有效、最快速、最经济的特性,但它的适应性较差,不能适用于其他方面的应用的计算机
通用计算机
适用性强,应用广,但是运行效率、速度和经济性根据不同的应用对象会受到不同程度的影响。通用计算机按照规模、速度、和功能分为巨型机、大型机、中型机、微型机和单片机六类。
计算机按照指令与数据流课分为:
1、单指令单数据流(SISD),即传统的冯•诺依曼体系结构
2、单指令多数据流(SIMD),包括阵列处理与向量处理器系统
3、多指令多数据流(MIMD),包括多处理器和多计算机系统
半导体存储器的发展
1970年,仙童公司生产出第一个较大容量的半导体存储器,至今半导体存储器经历了多代变化。
微处理器的发展
1971年Inter公司研制出第一个微处理器Inter4004,之后经历了Inter8008(8位)、Inter8086(16位)、Inter80286(16位)、Inter80386(32位)、Inter80486(32位)、Pentium(32位)、Pentium pro(64位)、Pentium Ⅱ(64位)、Pentium Ⅲ(64位)、Pentium 4(64位)、CORE(64位)等。
计算机软件
计算机软件(Software,软件)的定义
指计算机系统中的程序及其文档,程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述;文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。是由人事先编写好的具有特殊功能的程序,通常存放在计算机的主存中或辅助存中。
计算机软件的分类
系统软件
系统软件又称为系统程序,主要用来整理整个计算机系统,使系统资源得到合理的调度与高效运行,比如文件系统、操作系统等都是系统软件。
应用软件
应用软件又称为应用程序,它是用户根据任务 需要所编写的各种各样的程序,比如QQ、微信、Excel、Word等都是应用软件。
计算机程序
是指一组指示计算机执行动作或做出判断的指令,通常用某种程序设计语言编写,运行于某种目标体系结构上。
计算机语言的发展
计算机语言的发展主要从机器语言和汇编语言到高级语言的过渡。其中正是高级语言的发展推动了软件的发展,早期的高级语言包括Fortran(科学计算与工程计算)、Pascal(结构化程序设计),再到之后面向过程的C语言,然后由C语言衍生出面向对象的C++、Java、C#等等。
计算机系统层次结构
计算机系统的基本组成元素
计算机由硬件系统和软件系统两大部分组成。其中硬件系统包括CPU(中央处理器)、存储器和外设等;软件系统包括系统软件和应用软件。
注:软件和硬件再逻辑上是等效的(留意选择题)
计算机系统框架图
计算机硬件的基本组成
计算机硬件主要由CPU(存储器(ALU)、运算器(CU))和I/O设备(输入/输出设备)组成
计算机硬件关系图
计算机硬件关系流程分析
1、输入设备通过与控制器之间的信号请求,首先输入信息传入存储器(数据和程序两者缺一不可)。
2、控制器调用相对的指令运行程序并发出相对应的操作命令给运算器,控制器给出操作数的地址,使用这个地址从存储器调用操作数给运算器进行运算。
3、运算结果返回给存储器,需要打印则会通过输出设备和控制器之间的信号请求,然后打印出结果。
计算机的工作过程
计算机的工作过程其实就是不断的从存储器里面一条一条的取出指令,然后传输给控制器,经过操作后再由CPU发出各种操作命令,指挥各个部件完成各种操作,直到整个程序中的指令全部执行结束。
1、存储器
存储器主要分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)。CPU可以直接访问主存,主存是存放程序与数据的部件,是计算机实现“存储程序控制”的基础。辅存用于帮助主存记录更多信息,辅存中的信息是必须调入主存后才可以被CPU访问。
存储器的基本结构图
2、运算器
运算器是对信息进行处理与运算的部件,主要功能是进行算术运算和逻辑运算,其核心是算术逻辑单元(ALU)。算术运算主要包括:加、减、乘、除。逻辑运算主要包括:与、或、非、异或、比较、位移、位与等等。
运算器包括很多个通用寄存器,用来暂时存储操作数和中间结果,例如累加器(ACC)、乘商寄存器(MQ)、操作数寄存器(X)、基址寄存器(BR)、变址寄存器(LX)等等,其中前面三个寄存器是必须要有的。
3、控制器
控制器是整个计算机的指挥中心,是它让计算机各个部件自动的协调工作。计算机中有两种信息再流动:一种就是控制信息,另一种就是数据信息。
控制器由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)组成。
4、输入/输出设备
输入设备
输入设备是讲我们熟悉的信息形式转换为计算机可以接收并识别的信息形式的设备。
比如键盘和鼠标上的按键都有相对应的ASCII码。当我们按下某个键时,我们是输入设备就会把相对应的ASCII码传输给计算机。
输出设备
输出设备可以讲计算机的二进制信息转换为我们或者其他设备可以直接识别的信息。
计算机的系统层次结构概念
1、第一级:微程序机器级——微指令由硬件直接执行
2、第二级:传统机器级(机器语言级)——它由微程序解释机器指令系统
3、操作系统级——用机器语言程序解释作业控制语句
4、汇编语言机器级——用汇编程序翻译成机器语言程序
5、高级语言级——用编译程序翻译成汇编程序或者直接翻译成机器语言
计算机性能指标
1、吞吐量
吞吐量指的是信息流入、处理和流出系统的速度。它取决于CPU取出指令的速度、数据能多快的从内存里取出或者存入和所得到的结果可以多快的从内存输送到输出设备。简单点来说吞吐量主要取决于主存的存取周期。
2、响应时间
响应时间是指从提交作业到该作业得到CPU响应所需要的时间,响应时间越短吞吐量就越大。
3、主频
主频是机器内部的时钟频率,是衡量机器速度的重要参数,其常用的单位为Hz、MHz等。
4、CPU周期&CPU时间周期
CPU周期
又称机器周期,通常用从内存中读取一条指令的长短来定义。一个指令周期通常由多个CPU周期组成。
CPU时间周期
主频的倒数,是CPU的最小时间单位。
5、CPI、MIPS和FLOPS(CPI、MIPS和FLOPS都为衡量运算速度的指标)
补充知识点
一、门电路
1、与门——有假就假
2、或门——有真就真
3、非门——取反运算
4、或非门——和或门基本一致,只是结果取反
5、与非门——和与门基本一致,结果取反
6、异或门——同好相乘为正,异号相乘为负
二、三态门
逻辑门的输出端除了有高、低电平两种状态外,还有第三种状态——高阻态。高阻态相当于隔断状态(实际电路中不可能去隔断它,因此就需要设置这样一个状态,使它处于隔断状态)。
三、片码选择器
头上有杠的信号,不管是输入端红色输出端都应该加小圈,表示低电平有效。遇到门电路时再用小圈恢复。用低电平确实很麻烦,但是一般都是用的低电平有效,而且考时也不会让你解释原因的。
四、字、字节。字长
1B=8bit,这个是我们IT人的常识。但是有很多人会误认为一个字等于两个字节,这是因为他们受到了一个汉字占用两个字节的影响,要明白计算机中的字和我们的汉字的字是两个完全不一样的概念。
字
在计算机中,一串数码作为一个整体来处理或运算的,称为一个计算机字,简称字。
字节
字节是指一小组相邻的二进制数码。若干个字节组成一个字。
字长
字长是CPU的主要技术指标之一,指的是CPU一次能并行处理的二进制位数。
五、其他的一些专业术语
1.系列机
指的是基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列不同型号的计算机。系列机的概念就是指先设计好一种系统结构,而后就按这种系统结构设计它的系统软件,按器件状况和硬件技术研究这种结构的各种实现方法。并按照速度、价格等不同要求,分别提供不同速度、不同配置的各档机器。系列机必须保证用户看到的机器属性一致。
2、阿姆代尔定律(AmdahI's Law)
是指系统优化某部件所获得的系统性能的改善程度,取决于改部件被使用的频率,或被占用总执行时间的比例。这一定律很好的刻画了改善“系统瓶颈”性能的重要性。
3、基准测试程序
是指专门用来进行性能测试的一组程序,执行程序能够很好的反映机器在运行时实际负载时的性能。
4、最低有效位、最高有效位、最低有效字节、最高有效字节
最低有效位——一个二进制数中的最低位
最高有效位——一个二进制数中的最高位
最低有效字节——一个二进制数中的最低字节
最高有效字节——一个二进制数中的最高字节
5、基数
是集合论中刻画任意集合大小的一个概念。两个能够建立元素间一一对应的集合称为互相对等集合
6、逻辑数据
逻辑数据用来表示命题的“真”或者“假”,分别用“1”和“0”表示。
7、权
权是一种计算机用语,是人为规定的一个特殊值,如哈夫曼树中某节点的值,叫做带权节点,特殊值即为节点的权,或一类数据结构"图",有时图的边或弧具有与他相关的数,这种与图的边或弧相关的数叫做权。
六、与周期相关联的名词
指令周期——从一条指令的启动到下一条指令启动所经历的时间,通常由多个机器周期组成
时钟周期(节拍周期) ——计算机主频周期,通常将一个时钟周期定义为一个节拍
总线周期——CPU通过总线对存储器或I/O端口进行一次访问所需要的时间
机器周期(CPU 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,每一个阶段完成一项工作,比如取出指令、存储器读与写等等,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就是机器周期。一个机器周期由若干个时间周期组成
微指令周期——读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间(微指令周期常取成和机器周期相等)
存取周期(存储周期)——需要和存取时间区分开。存取时间又称为存储器的访问时间,指启动一次存储器操作(读或写)到完成该操作所需的全部时间。存取时间分为读出时间和写入时间两种。存取周期指存储器进行连续两次独立的存储器操作(要么连续两次读操作,要么连续两次写操作)所需的最小间隔时间,通常存取周期大于存取时间
本文来自博客园,作者:{oy},转载请注明原文链接:https://www.cnblogs.com/Oysen/p/17005633.html
【推荐】国内首个AI IDE,深度理解中文开发场景,立即下载体验Trae
【推荐】编程新体验,更懂你的AI,立即体验豆包MarsCode编程助手
【推荐】抖音旗下AI助手豆包,你的智能百科全书,全免费不限次数
【推荐】轻量又高性能的 SSH 工具 IShell:AI 加持,快人一步
· winform 绘制太阳,地球,月球 运作规律
· 超详细:普通电脑也行Windows部署deepseek R1训练数据并当服务器共享给他人
· TypeScript + Deepseek 打造卜卦网站:技术与玄学的结合
· AI 智能体引爆开源社区「GitHub 热点速览」
· 写一个简单的SQL生成工具