唐僧大官人的考研笔记——计算机组成原理（day01）

最新推荐文章于 2024-12-12 23:41:36 发布

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分类专栏：计算机组成原理文章标签：计算机组成原理

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本文介绍了计算机系统的基础知识，包括计算机的硬件和软件组成部分，从机器语言到高级语言的演变，以及计算机系统的多层次结构。此外，还概述了计算机硬件的技术指标，如字长、存储容量和运算速度。最后，文章回顾了计算机从电子管时代到集成电路时代的演变过程。

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第一章计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

1.1.1 计算机的软硬件概念

计算机系统由硬件和软件两大部分组成
硬件：计算机的实体部分
软件：存在于计算机的主存或辅存内

1.1.2 计算机系统的层次结构

机器语言
早期计算机只有机器语言，用户必须用二进制代码来编写程序
汇编语言
20世纪50年代出现了汇编语言。用符号ADD，SUB等表示操作。没有一种极其可以直接识别汇编程序，必须将汇编语言翻译成机器语言程序
高级语言
20世纪60年代出现了高级语言，如FORTRAN， BASIC等。先将高级语言翻译成汇编语言程序，再翻译成机器语言程序；也可以直接将高级语言程序翻译成机器语言程序。
将高级语言程序翻译成机器语言程序的软件称为翻译程序。两种翻译程序：编译程序和解释程序。
编译程序：将用户编写的高级程序一次全部翻译成机器语言程序，而后执行机器语言程序。一次所有的源程序
解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并且立即执行这条语句。一次一条源程序

四级层级结构的计算机系统（自顶向下）：

高级语言机器
用编译程序翻译成汇编语言程序或其他中间语言程序
汇编语言机器
用汇编程序翻译成机器语言程序
传统机器
用微程序解释机器指令
微程序机器
由硬件直接执行微指令

多级层次结构的计算机系统（自顶向下）：

高级语言机器
汇编语言机器
操作系统机器
用机器语言解释操作系统
机器语言机器
微指令系统

1.1.3 计算机组成和计算机体系结构

计算机系统结构：能够被程序员所见到的计算机系统的属性，是概念性的结构与功能特性。
计算机组成：如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员是透明的硬件细节。
以指令集为例，计算机系统结构是设计指令集的，计算机组成是在硬件上实现指令集的。

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点

计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成
指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址访问
指令和数据用二进制数表示
指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
指令在存储器中按顺序存放，通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

1.2.2 计算机的硬件框图

典型的冯诺依曼计算机是以运算器为中心的，现代的计算机以存储器为中心

计算机的五大部件：

运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果存在运算器内
存储器用来存放数据和程序
控制器用来控制，指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果
输入设备处理输入
输出设备处理输出

运算器和控制器通常集成在同一芯片上，称为中央处理器（CPU），输入设备和输出设备简称为I/O设备
现代计算机三大部分:CPU, I/O设备,主存储器(Main Memory, MM),其中CPU和MM合起来称为主机,I/O设备称为外部设备

算术逻辑单元(ALU): 完成算术逻辑运算
控制单元(CU): 解释存储器中的指令,并发出各种操作命令来执行指令

1.2.3 计算机的工作步骤

没啥可说的

1.3 计算机硬件的主要技术指标

1.3.1 机器字长

CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。

1.3.2 存储容量

存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。
存储容量 = 存储单元个数 x 存储字长

1.3.3 运算速度

采用吉普森放：综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比。
CPI：执行一条指令所需的时钟周期

第二章计算机的发展和应用

2.1 计算机的发展史

2.1.1 计算机的产生与发展

第一代电子管计算机
1943年开始建造ENIAC，1946年交付使用。1946年，冯诺依曼与同行们设计了IAS存储程序的计算机。20世纪50年代，出现了Spery和IBM量大计算机公司。Spery分离出UNIVAC子公司。
第二代晶体管计算机
1947年贝尔实验室制造出第一个晶体管。20世纪50年代，晶体管代替电子管的革命。
第三代集成电路计算机
典型代表是IBM/360和DEC的PDP-8