计算机系统概述
计算机组成原理 - 系统概述
基本要点
- 什么是计算机？
- 什么是冯诺依曼结构？
- 什么是硬件，软件？
- 计算机的硬件，软件组成
- 计算机的发展过程
- 计算机的性能指标
计算机硬件的发展
| 计算机代数 | 逻辑元件 | 特点 |
|---|---|---|
| 第一代 | 电子管 | 机器语言编程，容量小，体积大，成本高速度慢 1K-10K |
| 第二代 | 晶体管 | 高级语言，磁芯储存器，速度快 10K -> 100K/s |
| 第三代 | 小规模集成电路 | 半导体储存器，分时系统 |
| 第四代 | 超大规模集成电路 | 微处理器，并行，流水线，高速缓存，虚拟储存器 |
摩尔定律：
当价格不变时，集成电路上可以容纳的晶体管数目，每隔18个月就会增加一倍；
计算机的分类
按照电子原理： 电子模拟计算机，电子数字计算机
按照用途：专用计算机，通用计算机
按照尺寸大小： 巨型机，大型机，中型机，小型机，微型机
按照数据流和指令：
1. 单指令流和单数据流[SISD]： 冯诺依曼体系
2. 单指令流和多数据流[SIMD]： 阵列处理器和向量处理器系统
3. 多指令流和单数据流[MISD]： 不存在
4. 多指令流和多数据流[MIMD]： 多处理器和多计算机系统
如今计算机发展趋势 两极化
- 微型机向着：更微型化，网络化，高性能，多用途发展 ；
- 巨型机向着：更巨型化，高速化，并行处理，智能化方向发展；
计算机的硬件结构
1. 早期冯·诺依曼机器：
特点如下：
- 计算机硬件系统由运算器，储存器，控制器，输入输出设备5大部件构成；
2）指令和数据按照同等的地位储存在储存器中，并可以按地址寻访；
3）指令和数据按照二进制表示；
4）指令由于操作码和地址吗构成；
5）指令在储存器按顺序存放；
6）以运算器为中心的结构；
2. 现代计算机组织架构
随着微电子技术的进步，大型I/O设备速度和CPU速度相差悬殊，从按照运算器为核心到储存器为核心
是的I/O操作尽可能绕过CPU，让I/O设备到储存之间完成
例如DMA设备，直接I/O 储存器到内存
3. 硬件设备
(1) 输入设备: 键盘，鼠标，扫描仪，摄像机
(2) 输出设备：显示器，打印机
(3) 储存器： 主存，辅存
内存： 主要有储存体，地址寄存器MAR，数据寄存器MDR，时序控制逻辑
现在MAR MDR理论上是储存器的一部分，实际上在现在的计算机系统中，寄存器是位于CPU里面的；包括后面提到的高速缓存 cache
(4) 运算器：
计算机执行部件，主要是用于算数运算和逻辑运算。加减乘除，与或非异或比较，移动位数； 核心是ALU 算数逻辑单元
若干个通用寄存器，累加器ACC，乘商寄存器MQ，操作数寄存器X,变址寄存器IX，基址寄存器BR，前三个寄存器是必须有的
内部还有程序状态寄存器，主要是存放日志信息和处理器的状态信息(用户态和核心态)，中断的错误代码？
(5) 控制器：
指挥和协调的进行工作；控制器由程序计数器PC，指令寄存器IR，和控制单元CU的组成；
PC存放当前将要执行的指令的地址；自动加一就是下一条指令的地址；与主存的MAR之间有一条通路；
IR用来存放当前的指令，内容来自于MDR，将操作码OP送到CU，地址码送到MAR用来取数
一般情况运算器和储存器集成到同一个芯片里面叫做中央处理器（CPU）
CPu和主存之间，存在着总线，包括：数据，控制，地址总线；
计算机软件
分成：系统软件和应用软件；
系统软件包括： 操作系统，数据库管理软件，网络软件标准库以及服务型程序
软件语言：
机器语言：二进制代码语言
汇编语言： 代替二进制的指令码 便于记忆
高级语言： 方便程序设计人员写出解决问题的语言
源程序到可执行文件的步骤
linux的gcc为案例：
（.c) -> [预处理器cpp] -> (.i) -> [编译器ccl] -> (.s) -> [汇编器 as] ->(.o) -> [连接器 ld] -> (可执行文件)
指令执行过程：
取指令： PC->MAR->M->MDR->IR
分析指令： OP(IR) -> CU
执行指令： Ad(IR) -> MAR -> M -> MDR -> ACC
计算机的多级层次结构
[高级语言机器] -> [汇编语言机器] -> [操作系统机器] -> [机器语言机器] -> [微指令系统]
编译程序到汇编 汇编到机器 机器语言解释操作 解释机器语言 硬件执行
