计算机组成原理笔记

计算机的分类

 

 

一、计算机系统概述

(1)计算机发展历程

第一代1946-1957,电子管计算机

第二代1958-1964,晶体管计算机

第三代1965-1971,中小规模集成电路计算机

第四代1972-1990,大规模和超大规模集成电路计算机

第五代1991-至今,巨大规模集成电路计算机

摩尔定律:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。预计定律将持续到至少2015年或2020年。然而,2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经在2013年年底放缓,之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。

(二)计算机系统层次结构

### 计算机组成原理学习笔记与资料 #### 1. 计算机组成的基本概念 计算机系统由硬件和软件两大部分组成,其中硬件部分包括输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器[^5]。这些功能部件共同构成了计算机的核心结构。存储器用于保存数据和指令,运算器负责执行算术和逻辑运算,控制器则管理整个系统的操作流程。 在计算机的发展历程中,经历了四代变化,从早期的电子管到晶体管、集成电路再到超大规模集成电路[^1]。每一代的变化都伴随着硬件元件的技术革新,从而推动了计算机性能的提升。 #### 2. 冯·诺依曼体系结构 冯·诺依曼计算机的特点是以运算器为中心,指令和数据以同等地位存储于存储器中,并可通过地址寻访[^5]。这种结构奠定了现代计算机的基础,但同时也存在一些问题,例如运算器成为系统的瓶颈,缺乏层次性的划分。 #### 3. 指令系统与程序执行 计算机系统结构定义了软硬件的交界面,明确了哪些功能由软件实现,哪些功能由硬件完成[^2]。程序员需要理解指令系统、数据类型、寻址技术和I/O机理等概念。为了提高程序执行效率,现代计算机允许指令字长和数据字长的可变性,其长度通常由字节的个数表示,而非固定的存储字长[^4]。 #### 4. 计算机性能指标 计算机的主要性能指标包括主存储器容量、运算器速度以及系统整体性能。主存储器容量决定了计算机可以处理的数据量,而运算器速度直接影响计算效率。需要注意的是,主频高的CPU并不一定比主频低的CPU快,因为实际性能还受到其他因素的影响,如缓存设计、流水线技术等[^3]。 #### 5. 程序翻译与语言级别 在计算机系统中,不同级别的语言编写的程序具有不同的特性。机器语言是唯一能被硬件直接执行的语言,而高级语言则需要通过翻译程序(如汇编程序、编译程序或解释程序)转换为机器代码后才能运行[^3]。每种翻译方式都有其特定的应用场景和优缺点。 ```python # 示例:将高级语言翻译为机器代码的过程 def compile_code(source_code): # 使用编译器将源代码翻译为机器代码 machine_code = translate_to_machine_language(source_code) return machine_code def translate_to_machine_language(code): # 假设的翻译逻辑 return "01010101" # 示例机器代码 ``` ###
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