计算机系统概论

开始之前两个问题?
什么是计算机?

Computer is an electronic device that is designed to work with Information。
计算机是一种高速运行的电子设备,它是为信息工作的。
它用于进行数据的计算,可接受输入信息,然后根据用户要求对信息进行加工,最后输出结果。
计算机里有什么?
主板

主板是计算机的主电路板。这是一块薄板,用于容纳CPU,内存,硬盘驱动器和光盘驱动器的连接器,用于控制视频和音频的扩展卡(声卡,显卡等)以及某些插口(例如USB接口,内存条插槽)的连接。主板直接或间接连接到计算机的每个部分。
CPU

CPU( central processing unit,中央处理器),也叫处理器,位于主板上。CPU封装后通常是一个边长五厘米左右的陶瓷方块,内部装有硅芯片。CPU装在主板的CPU插槽中,该插槽由散热器覆盖,因为CPU工作会散发大量热,所以散热器可以从CPU吸收热量,避免CPU过热。
处理器的速度以兆赫兹(MHz)或每秒数百万条指令为单位和千兆赫(GHz)或每秒数十亿条指令。处理器运行速度越快,执行指令越快。CPU是决定计算机的实际速度的组件之一。
RAM

RAM(random access memory,随机存储器),电脑中的RAM我们常常称作内存条。它是与CPU直接交换数据的内部存储器,也叫主存(内存)。它可以随时读写,而且速度非常快。
RAM是系统的短期内存。每当您的计算机执行计算时,它都会将数据临时存储在RAM中,然后进行计算。关闭计算机后,该短期记忆消失。如果您正在处理文档,电子表格等文件是,记得将其保存以避免丢失。当保存文件时,数据将写入硬盘驱动器,作为长期存储。
RAM以**兆字节(MB)或千兆字节(GB)**为单位。拥有的RAM越多,计算机可以同时执行的功能越多。如果没有足够的RAM,在打开多个程序后,计算机会运行的很缓慢。
硬盘
硬盘驱动器是存储软件,文档和其他文件的位置。硬盘是长期存储设备,这意味着即使关闭计算机电源或拔掉电源,数据仍会保存。
当运行程序或打开文件时,计算机会将某些数据从硬盘驱动器复制到RAM。保存文件时,数据将复制回硬盘驱动器。硬盘驱动器越快,计算机启动和加载程序的速度就越快。
电源盒

计算机中的电源设备将电源插座的电源转换为计算机所需的电源类型。它通过电缆向主板和其他组件供电。
拓展卡
大多数计算机在主板上都有扩展槽,可让添加各种类型的扩展卡。也叫PCI (peripheral component interconnect,外围组件互联) 卡。不过大多数的主板已经预装好了这些卡。
显卡

显卡负责处理在显示器上显示的图像信息。大多数计算机在主板上内置了GPU(graphics processing unit,图形处理单元),而不是具有单独的显卡。但是如果需要更好的体验,还是装上独显,性能更好。
声卡

声卡负责扬声器或耳机中的声音。大多数主板都集成了声卡,也以升级到专用声卡以获得更高质量的声音。
网卡

网卡用来使你的计算机连接互联网,如果你的设备想要上网,必须要配备网卡。现在网卡主要有两种类型,有线网卡和无线网卡。
蓝牙适配器
蓝牙是一种用于短距离无线通信的技术。我们通常用于与无线键盘,鼠标和打印机等有蓝牙功能的设备连接。它通常内置在主板中或包含在无线网卡中。
计算机的分类
电子计算机从整体上可以分为两大类:数字计算机和模拟计算机。
- 模拟计算机主要是指计算尺,时钟,电表这种模拟计算装置。它的特点是运算数值是连续的量,运算过程也是连续的。它主要处理的是模拟量信息。
- 数字计算机主要用数字来表示数量的大小。主要特点是按位运算和不连续的跳动计算。它主要处理的是数字量信息。
由于模拟计算机的精度和解题能力有限,所以应用范围很小。所以现在通常所说的计算机一般是指电子数字计算机。
数字计算机可进一步分为专用计算机和通用计算机。
- 专用计算机是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机,但适应性很差。
- 通用计算机虽然适应性很大,但是牺牲了效率、速度和经济性。
通用计算机又可分为单片机、微型机、小型机、中型机、大型机、超级计算机。
具体的分类可看下图:

计算机的发展
- 第一代计算机(1946—1959年):电子管
- 第二代计算机(1959—1964年):晶体管
- 第三代计算机(1964—1975年):中小规模集成电路
- 第四代计算机(1975—1990年):大规模、超大规模集成电路
- 第五代计算机(1990—至今 ):甚大规模集成电路
- 第六代计算机 (未来) :极大规模集成电路
ENIAC机
世界上第一台计算机ENIAC由1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制,虽然耗费巨大且不完善,但是它奠定了电子计算机的基础。
ENIAC的特点:
- 十进制表示,
- 程序用插线开关实现。
Turing机
1937年,Alan Turing提出一种通用计算机的概念,它可以执行任何一个描述好的程序(算法),实现需要的功能,形成了可计算性概念的基础。
图灵机的特点:
- 并不是保存所有问题的结果;
- 问题的求解由程序或过程给出,程序和过程可以通过语言描述
- 计算机执行程序的时间是有限的。
冯诺依曼机的体系结构存(储程序型计算机)
为了改进程序的输入方式, 美国数学家冯.诺依曼,提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一个计算机模型EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)。
冯诺依曼机器的主要特点:
- 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分组成;
- 指令和数据存储在存储器中,并可以按地址访问;
- 指令和数据均以二进制表示;
- 指令由操作码和地址码构成,操作码指明操作的性质,地址码表示操作数在存储器中的位置;
- 指令在存储器内按顺序存放,通常按自动的顺序取出执行;
- 机器以运算器为中心,I/O设备与存储器交换数据也要通过运算器。(后来有以存储器为中心的计算机结构)
现代微机结构

- 将运算器、控制器和片内高速缓存,统称为CPU;而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机;其余的设备均为外设。主机内仅包含主存储器,即内存;硬盘、光盘等辅助存储器属于I/O设备;
- 以存储器为中心。减轻CPU的数据传送负担,提高系统的整体性能;
现代计算机发展方向
巨型化,微型化,网络化,智能化,多媒体化
摩尔定律
1964年,英特尔公司创始人戈登.摩尔(Gordon Moore)在一篇很短的论文里断言:每18个月,集成电路的性能将提高一倍,而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。
摩尔定律有另外一种表述方法,即每过10年计算机系统性能将会增加100倍,通讯带宽也会提高100倍,而花费的资金不会增加。
半导体存储器的发展
- 20世纪50~60年代,磁芯存储器
- 价格昂贵,体积大,破坏性读出
- 1970年,半导体存储器
- 价格更加昂贵,体积小,非破坏性读写
- 1974年之后,半导体存储器
- 价格不断降低,体积不断减少,读写速度更快。
微处理器的发展
- 20世纪70年代的处理器
- 4004 → \rightarrow → 8008 → \rightarrow → 8080 → \rightarrow → 8086 → \rightarrow → 8088
- 20世纪80年代的处理器
- 80286 → \rightarrow → 386TM DX → \rightarrow → 386TM SX → \rightarrow → 486TM DX
- 20世纪90年代的处理器
- 486TM SX → \rightarrow →Pentium → \rightarrow → Pentium Pro → \rightarrow → Pentium II → \rightarrow →Pentium Ⅲ 最
- 近10年的处理器
- Pentium 4 → \rightarrow → Itanium → \rightarrow →Itanium 2 → \rightarrow → ……
计算机的性能指标
吞吐量
表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。
响应时间
从输入有效到系统产生响应之间的时间度量,用时间单位来表示。
利用率
在给定的时间间隔内,系统被实际使用的时间所占的比率,用百分比表示。
处理机字长(机器字长)
- 处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数,如32、64位;
- 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。
总线宽度
一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。
主存储器容量
主存储器所能存储二进制数据的位数。或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”,而非“存储单元”!
通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中 K = 2 10 , M = 2 20 , G = 2 30 , T = 2 40 , B = 8 位 ( 1 个 字 节 ) K=2^{10},M=2^{20},G=2^{30},T=2^{40},B=8位(1个字节) K=210,M=220,G=230,T=240,B=8位(1个字节)。
1KB=1024B,1MB=1024KB, 1GB=1024MB,1TB=1024GB
存储器容量越大,记忆的二进制数越多。存储容量越大,能存储的信息就越多。
主存储器带宽
单位时间内从主存储器读出的二进制信息量,一般用字节数/秒表示。
主频/时钟周期
CPU的工作节拍受主时钟控制,主时钟不断产生固定频率的时钟,主时钟的频率(f)叫CPU的主频
。度量单位是MHz、GHz。
主频的倒数称为CPU时钟周期(T),即 T = 1 f , 度 量 单 位 是 微 秒 μ s 、 纳 秒 n s 。 T=\frac{1}{f},度量单位是微秒\mu s 、纳秒ns。 T=f1,度量单位是微秒μs、纳秒ns。
CPU执行时间
CPU执行一般程序所占用的CPU时间;
CPU执行时间 = 程序的总时钟周期数 × CPU时钟周期.
CPI(Cycle Per Instruction)(重)
执行一条指令所需的平均时钟周期数;
平 均 C P I = 某 程 序 总 的 C P U 时 钟 周