计算机发展历程

什么是计算机系统

计算机系统 = 硬件 + 软件
硬件：计算机的实体，比如说CPU，内存条，硬盘等
软件：具有各类特殊功能，而软件又分为系统软件和应用软件

  • 系统软件：用来管理整个计算机系统，比如说Windows系统，Linux系统等
  • 应用软件：任务需要编织成的各种程序，比如QQ，微信，支付宝等

硬件的发展

发展阶段`` 时间 逻辑元件 速度 内存 外存
第一代 1946-1957 电子管 几千-几万 汞延迟线、磁鼓 穿孔卡片、纸带
第二代 1958-1964 晶体管 几万-几十万 磁芯存储器 磁带
第三代 1964-1971 中小规模集成电路 几十万-几百万 半导体存储器 磁带、磁盘
第四代 1972-现在 大规模、超大规模集成电路 上千万-上亿 半导体存储器 磁带、磁盘、光盘、半导体光盘

image.png
image.pngimage.pngimage.png
image.png

软件的发展

分为计算机语言的发展和操作系统的发展
计算机语言：机器语言，汇编语言，高级语言
操作系统：Windows，Linux，安卓等
image.png

image.png

计算机硬件组成

计算机层次结构

冯诺依曼机特点

  1. 计算机硬件由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备5个部分组成
  2. 指令和数据以同等地位存储在存储器，并可按地址寻访
  3. 指令是由操作码和地址码组成，操作码用于表示这是一个什么类型的操作，地址码用于表示操作数存储中的存放位置
  4. 指令在存储器内按顺序存放（一般情况下是这样的，但在特定条件下也可以进行设定）
  5. 早期的冯诺依曼机器以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据

image.png

  • 上图中，实线是数据线，虚线是控制线（双向）

冯诺依曼机缺陷（早期）
在控制器的指挥下，输入和输出设备输入一些数据交给运算器，如果产生中间结果，就会传送给存储器，计算完成后最终结果会给输出设备。
可以发现这种层次结构容易收到输入和输出设备的牵制，因为他们的速度相较于运算器太慢了（短板效应）

现代计算机的组织结构

为了解决I/O设备的速度和CPU速度差异悬殊的问题，现如今的计算机则采用以存储器为中心的计算机结构组织，这种结果使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率
image.png
image.png

计算机硬件概述

存储器

存储器的基本结构

存储器基本结构：存储器主要分为主存（内存）与辅存（外存）

  • 主存：CPU可以直接访问；主要存放程序和数据；是计算机实现“存储程序”控制的基础；外存中信息必须加载进主存之后CPU才可以访问；
  • 辅存：CPU不可以直接访问

主存的结构如下所示

  • 存储体M：存放二进制
  • MAR（地址寄存器）：存放的是访存地址（经过地址译码后找到所选存储单元）
  • MDR（数据寄存器）：存放的是要从存储器中读入或写入的信息

image.png

存储器相关基本定义

存储器相关基本定义：目前我们采用的半导体器件来承担存储任务，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，就可以记忆一个二进制代码，关于存储器有如下五个非常重要的概念。

  • 存储元：也可称为存储元件和存储基元，用来存放一位二进制信息
  • 存储单元：由若干个存储元组成，能存放多位二进制信息
  • 存储体：许多存储单元可组成存储体，也即存储矩阵
  • 存储字：每个存储单元中二进制代码的组合即为存储字，可代表数值、指令和地址等
  • 存储字长：每个存储单元中二进制代码的位数就是存储字长

上述概念可以这样记忆：主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含多个存储元，每个存储元存储1位二进制代码0或1，故存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，而这串代码的位数称为存储字长，存储字长一般是一个字节（8位）或字节的偶数倍。
存储器相关小考点

  • 数据在存储体中是按照地址存储的，每个地址对应一个存储单元
  • 存储单元数目=2 M A R 位数 2^{MAR位数}2
  • MAR位数（如果MAR为10位，则存储单元数目为2 10 = 1024 2^{10}=10242 10 =1024）。它用于寻址，其长度和PC（程序计数器）长度一致
  • MDR的位数表示存储字长（例如MDR为16，表示存储字长为16，也表示1个字(word)=16bit）
  • 注意区分字（word）和字节（Byte），1个字节等于8个bit，而1个字的大小取决于机器
  • 1B=1个字节，1b=1个bit

运算器

运算器：是计算机的执行部件，主要进行

  • 算数运算：比如加减乘除
  • 逻辑运算：比如与、或、非、异或、比较等等
运算器基本结构

运算器基本结构：由以下四部分构成

  • ALU（算数逻辑单元）：运算器中造价最为高昂的部分，本质是一对电路
  • ACC（累加器）：用于存放操作数，或运算结果
  • MQ（乘商寄存器）：在乘除运算式，用于存放操作数或运算结果
  • X（操作数寄存器）：用于存放操作数

image.png

运算器过程伪代码描述（了解）

设M为主存中的某一个存储单元，(M)表示取M中的数据，->表示将内容送入寄存器

加法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入操作数寄存器X，即(M)->X；然后两者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC)+(M)->(ACC)

乘法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入乘商寄存器MQ作为乘数，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的内容放入X寄存器作为被乘数，即ACC->X，接着将ACC清零，即0->ACC，然后乘数乘以被乘数，一个送入乘积高位，一个送入乘积低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法实现：假设ACC中已经存在一个数，首先取M的内容送入X作为除数，即(M)->X，ACC中的内容作为被除数，结果一个放入MQ作为整数部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一个放入ACC作为余数，即(ACC)%(X)->ACC

控制器

运算器：是计算机的指挥中心，由其指挥各部分自动协调地进行工作
指令：是指指挥机器工作的指示和命令，程序本质就是一系列按照一定顺序排列的指令。人们用程序表达自己的意图，控制器则通过指令指挥机器工作，指令 = 操作码 + 地址码

  • 操作码：指示计算机要干什么
  • 地址码：干这些事情需要的原材料在哪里

image.png

控制器基本结构

  • 控制单元（CU）：分析指令、发出信号、协调操作
  • 指令寄存器（IR）：存放当前要执行的指令。注意其内容来源MDR，因为指令和数据本质是一样的，都被存放在存储器
  • 程序计数器（PC）：存放当前要执行的指令地址。注意其与MAR直接连通，并且可以自动+1

控制器过程伪代码描述
完成一条指令的过程为：取指令（PC）->分析指令（IR）->执行指令（CU）

具体过程：首先取出指令，即(IR)，接着获取指令的操作码，即OP(IR)，然后获取指令的地址码，即AD(IR)，然后将操作码送入控制单元分析，即OP(IR)->CU，操作码表示需要干什么，但是干活需要原材料，所以再把指令的地址码送入MAR，AD(IR)->MAR,从MAR指示的存储体取出原材料即可。

结合前面的加法，我们可以写出完整的加法运算的过程的： 首要取加法指令，而指令存储在存储体中，想要取出指令必须要知道的指令的地址，而这个地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相连，即(PC)->MAR，于是指令此时被放入了MDR中，那么接着将指令放入IR中，即(MDR)->IR,接着取指令的操作码送入控制单元，即OP(IR)->CU，然后再把原材料（就是一些操作数）的地址码送入MAR，即AD(IR)->MAR。接着就可以进行加法操作了，由于上一步已经将操作数的地址码送入了MDR中，所以现在送入操作数寄存器，即(MDR)->X，然后(ACC)+(X)->ACC，最后PC要自增，即(PC)+1->PC，表示下一条指令

计算机的工作过程

接下来以一段简单的C语言代码为例展示计算机在背后所做的工作

以下程序非常简单，声明了4个变量并赋值，然后在main函数内进行运算

int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main()
{
	y=a*b+c;
}

经过编译器编译后，这段程序在主存中就是这样的
image.png

下半部分是定义的变量，上半部分则是对应于高级语言对应的机器指令
为了方便演示，我们将控制器、运算器和存储体也放在旁边
image.png
第一组
1：程序开始运行，PC的值为0，保存的是第一条指令的地址。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=0。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存0号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作
image.png

2+3：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出0号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第一条指令。即M(MAR)->MDR，此时MDR=000001 0000000101
image.png

4：接着将MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了当前要执行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000001 0000000101
image.png
5：这条指令的前6个比特位是操作码，会被送入到控制单元CU中，CU分析后，得知这是一条取数命令。即OP(IR)->CU
image.png
6：取数指令会将变量a的内容放入寄存器ACC中。但是现在变量a不知道在哪里，所以现在会把指令的地址码送到MAR当中，即(MAR)=5
image.png
7+8：接着主存储器根据MAR指明的地址，也就是a的地址（5），去存储体中找出5号地址的数据，并将其放入MDR当中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000010，也即(MDR)=2
image.png
9：接着在控制单元的指挥下，MDR中的数据就被放入到了ACC中。至此第一条指令完成
image.png
10：最后PC自增1，进行下一条指令，即(PC)=1
image.png

接下来进行下一组操作

image.png

1：程序接着运行，PC的值为1，保存的是第二条指令的地址。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=1。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存1号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作
image.png
2+3：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出1号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第二条指令。即M(MAR)->MDR，此时MDR=000100 0000000110
image.png
4：接着将MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了当前要执行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000100 0000000110
image.png
5：这条指令的前6个比特位是操作码，会被送入到控制单元CU中，CU分析后，得知这是一条乘法命令。即OP(IR)->CU
image.png
6：接着把指令的地址码送到MAR当中，即(MAR)=6
image.png
7+8：接着主存储器根据MAR指明的地址，也就是b的地址（6），去存储体中找出6号地址的数据，并将其放入MDR当中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000011，也即(MDR)=3
image.png
9：由于是乘法，所以控制单元将MDR中的内容送入到乘商寄存器MQ中，即(MDR)->MQ，此时(MQ)=0000000000000011=3
image.png
10：先把a的值放入通用寄存器X中，即(ACC)->X,(X)=2
image.png
11：CU告诉ALU，让其进行乘法运算。即(MQ)×(X)->ACC,(ACC)=6。注意如果乘积过大，需要MQ辅助存储，也就是最上面讲到过的(X)×(MQ)->ACC//MQ

image.png
接着进行下一组操作，具体过程就不详细演示了，步骤如下

1:PC存储2号指令的地址，(PC)->MAR,(MAR)=2
2+3:M(MAR)->MDR,(MDR)=000011 0000000111
4:(MDR)->IR，(IR)=000011 0000000111
5:OP(IR)->CU,CU分析操作码，得知这是加法执行
6:Ad(IR)->MAR，将指令的地址码送入MAR,(MAR)=7
7+8:M(MAR)->MDR，(MDR)=00000000 00000001=1
9:(MDR)->x,(X)= 00000000 00000001=1
10:(ACC)+(X)->ACC,(ACC)->7，由ALU实现加法运算

image.png
接着进行下一组操作

1:(PC)->MAR,(MAR)=3
2+3:M(MAR)->MDR,MDR=000010 0000001000
4:(MDR)->IR,(IR)000010 0000001000
5:OP(IR)->CU,CU分析得知，这是存数指令
6:AD(IR)->MAR,(MAR)=8
7+8:(ACC)->MDR,MDR=7
9:(MDR)->地址为8的存储单元，导致y=7
image.png

最后再读取到停机指令时，计算机通过中断机制就结束了程序的运行

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构：指的是计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层。把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。
image.png

image.png
image.png

计算机性能指标

存储器的性能指标

存储器的性能指标主要有：存储容量，单位成本，存储速度
存储容量 = 存储字数 * 存储字长
储存字数：储存器的地址空间大小
（用在储存里的M常表示2^20， 而在通信中常表示10^6）
字长：一次存取操作的数据量（单位bit）
image.png
image.png

CPU的性能指标

image.png

系统整体性能指标

image.png

posted @ 2022-12-01 15:24  ゐ叶う枫ゆ  阅读(136)  评论(0)  编辑  收藏  举报