计算机组成基础概念_单指令流多数据流-优快云博客

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本文详细介绍了计算机的分类，包括SISD、SIMD、MISD和MIMD，以及计算机的发展历程，从电子管到晶体管，再到集成电路。提到了微处理器的进化，如8080到Pentium IV，以及计算机硬件和软件的发展，如操作系统和编程语言的演变。此外，还阐述了冯·诺依曼计算机的特点，存储器的工作原理以及计算机性能指标，如容量、速度和MIPS等。

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一.计算机分类

一.按照实现方式分类

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二.按照指令流和数据流分类

1.单指令流&单数据流(SISD)：冯诺依曼体系结构

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2.单指令流&多数据流(SIMD)：阵列处理器、向量处理器
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3.多指令流&单数据流(MISD)：无

4.多指令流&多数据流(MIMD)：多处理器、多计算机
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二.计算机发展方向

发展阶段	时间	逻辑元件	速度(次/秒)	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、纸袋
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	中小规模电路	几十万-几百万	半导体存储器	磁带、磁盘
第四代	1972-至今	大规模、超大规模集成电路	千万-万亿	半导体存储器	磁带、磁盘、光盘、半导体存储器

一.逻辑元件

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CPU内部由很多单元的逻辑元件组成，逻辑元件的大小决定了整个系统的大小。如，由几百亿个逻辑元件组成的CPU，逻辑元件减小一点点，CPU就会减小很多

1.电子管

第一台数字计算机ENIAC，占地面积170平，包含17468根真空管，使用机器语言

2.晶体管

第一台使用晶体管线路的计算机TRADIC，包含800只晶体管，使用面向过程语言FORTRAN

3.中小规模集成电路

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高级语言迅速发展，分时操作系统开始出现

4.大规模、超大规模集成电路
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产生微处理器，新概念：并发并行、流水线、高速缓存、虚拟存储器… …

二.计算机硬件的发展

1.微处理器的发展

微处理器	机器字长	年份	晶体管数目
8080	8位	1974
8086	16位	1979	2.9w
80286	16位	1982	13.4w
80386	32位	1985	27.5w
80486	32位	1989	120w
Pentium	64位(准)	1993	310w
Pentium pro	64位(准)	1995	550w
Pentium II	64位(准)	1997	750w
Pentium III	64位(准)	1999	950w
Pentium IV	64位	2000	3200w

机器字长：CPU一次整数运算处理的二进制最大位数，与CPU内寄存器的位数有关。如，8字长位的机器，想要处理16位运算，那么需要先将16位的先分成两个8位的，再做运算
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操作系统位数：其所依赖的指令集的位数

2.硬件的发展
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摩尔定律：揭示了信息技术进步的速度，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍

二.计算机软件的发展

阶段	语言	特点
第一阶段	机器语言	使用穿孔卡片
第二阶段	汇编语言(符号语言)	符号代替了机器语言的二进制码
第三阶段	高级语言(C、C++、Java…)	一种接近于人们使用习惯的程序设计语言

三.计算机层次结构

一.计算机系统组成

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1.控制器(Control)：是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。

2.运算器(Datapath)：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。

3.存储器(Memory)：存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。

4.输入(Input system)：输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合称为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。

5.输出(Output system)：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把计算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。

二.计算机硬件的基本组成

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三.计算机工作过程

一.功能部件-运算器、控制器

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1.运算器

MQ乘商寄存器(Multiple-Quotient Register)

ACC累加器(Accumulator)

ALU算数逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit)：与、或、非、异或等

X操作寄存器

PSW程序状态寄存器(Program Status Word)

	加	减	乘	除
ACC	被加数、和	被减数、差	乘积高位	被除数、余数
MQ			乘数、乘数低位	商
X	加数	减数	被乘数	除数

2.控制器

CU控制单元(Control Unit)：分析指令，给出控制信号

IR指令寄存器(lnstruction Register)：存放当前执行的指令

PC程序计数器(Program Counter)：存放指令地址有自动加1功能

二.读取指令

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操作方式：

M：主存中某存储单元
ACC、MQ、X、MAR、MDR…：相应寄存器
M(MAR)：取存储单元中的数据
(ACC)…：取相应寄存器中的数据
指令：操作码+地址码
OP(IR)：取操作码
Ad(IR)：取地址码

操作：

(PC) ——> MAR
M(MAR)——> MDR
(MDR)——>IR
取指令结束
OP(IR)——>CU
分析指令结束
Ad(IR)——>MAR
M(MAR)——>MDR
(MDR)——>ACC
执行指令结束

CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

四.软件系统

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系统软件：管理整个计算机系统使系统资源得到合理调度，如操作系统(OS)、数据库管理系统(DBMS)、语言处理程序…

应用软件：使用系统软件提供的资源接口，完成用户的特定任务。如QQ、WX、酷狗语言…

五.编程语言

1.机器语言

二进制代码 0000,0000,000000010000

第一段二进制决定指令操作内容（0000：LOAD、0001：STORE…），第二段二进制决定数据寻找的地址，第三段二进制决定数据存放地址

2.汇编语言

助记符 LOAD A,16 ——>汇编程序(汇编器)——>机器语言

如，16号单元数据与17号单元数据相加存回17号单元：
LOAD A,16
LOAD B,17
ADD C,A,B
STORE C,17

3.高级语言

C/C++、Java

c=a+b
——>编译程序(编译器)——>汇编语言

——>解释程序——>机器语言

六.五层结构

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七.冯·诺依曼计算机

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存储程序：将指令以代码的形式事先输入到计算机主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

1.计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
2.指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访。
3.指令和数据均用二进制代码表示。
4.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。
5.指令在存储器内按顺序存放。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。
6.早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

八.存储器

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MAR(memory address register)主存地址寄存器：用来保存数据被传输到的位置的地址或者数据来源位置的地址。

MDR(memory data register)主存数据寄存器：用来保存要被写入地址单元或者从地址单元读入的数据。
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读取操作：外部会将地址传入MAR中，MAR会根据地址在CU的控制下，找到存储体中对应的存储单元并将数据拷贝到MDR中（先读取到MDR），随后MDR在CU的控制下将数据拷贝到外部需要的位置（再由MDR将数据传递给外部）