[计算机组成原理] 01 计算机系统概述

以下内容是视频王道计算机考研 计算机组成原理的学习笔记

计算机的发展

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，如主机、外设等

软件：由具有各类特殊功能的程序组成
$$\{\begin{array}{l}系统软件：用来管理整个计算机系统\\ \\ 应用软件：按任务需要编制成的各种程序\end{array}$$
系统软件：语言处理程序 操作系统 服务性程序 数据库管理系统（DBMS） 网络软件

第一台电子数字计算机：ENIAC（1946）

1947年，贝尔实验室发明了晶体管。

1959年，仙童半导体公司发明集成电路。

硬件的发展

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	上千万-万亿	半导体存储器	磁盘、磁带、光盘、半导体存储器

机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数

摩尔定律：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。

摩尔定律揭示了信息技术进步的速度。

软件的发展

机器语言 --> 汇编语言 --> 高级语言

计算机硬件的基本组成

“存储程序”的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

第一台采用冯诺依曼结构的计算机是EDVAC。

eg:对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算，也可以使用软件的方式，执行多次加法运算来实现。

冯·诺依曼计算机的特点：

1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器中，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为中心 （输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成）

输入数据时输入设备把数据通过运算器放入存储器中，输出数据时运算器要把存储器中的数据交给输出设备，同时要进行数据的逻辑运算和算术运算。运算器太忙了，运算器会成为系统瓶颈。这样效率会降低。

因此，现代计算机以存储器为中心。

输入输出数据不必再通过运算器进行中转，输入设备直接把数据存入存储器；当运算器处理完数据后，输出设备也会直接从存储器中取走数据。

CPU=运算器+控制器

认识各个硬件部件

 

主存储器

CPU把想获取的数据的存放地址写入MAR寄存器中，主存储器根据MAR接收到的地址信息去存储体里拿出数据，并把数据写入MDR寄存器中，最后CPU从MDR中取走想要的数据。

CPU把想写入数据的地址写入MAR寄存器中，把想要写入的具体数据写入MDR寄存器中，主存储器接收到写信号后，就可以根据这两个位置的信息把数据写入存储体中。

因为存储字长是指存储单元中二进制代码的位数，所以MDR的位数等于存储字长。

运算器的基本组成

控制器的基本组成

计算机的工作过程

下面用一段程序的执行来简单说明一下计算机的工作过程。

所有的指令和数据都存放在存储体当中。

(PC)=0，指向第一条指令的存储地址。

PC指向的内容通过地址总线传送到MAR中，同时控制器通过控制总线告诉主存储器这次进行的是读操作。主存储器根据MAR记录的地址信息从存储体中找出0号地址对应的二进制数据，并且把这些数据放入MDR中。

MDR中的指令通过数据总线放入指令寄存器IR中，IR将这条指令的操作码部分送到控制单元CU中，CU分析操作码后得知000001是“取数”指令。

接下来执行这条“取数”指令。

PC在取指令完成后，自动加一。

无论执行的是什么指令，取指令和分析指令的部分是必经步骤。

计算机系统的多级层次结构

计算机的性能指标

存储器的性能指标

CPU的性能指标

系统整体的性能指标

如果有一台计算机的数据通路带宽为8 bit，要从存储体里取出16 bit的数据，读入到CPU里面，就总共需要进行两次数据传输，每次只能传送8 bit。

淘宝的服务器每单位时间可以处理用户的http请求的数量就是淘宝服务器的吞吐量；食堂打饭的阿姨每单位时间内可以完成的打饭数量就是打饭阿姨的吞吐量。