计算机系统：从硬件到软件的发展与结构解析-优快云博客

本文概述了计算机系统的发展历程，从电子管到大规模集成电路，再到现代计算机的特点。深入探讨了冯诺依曼计算机的组成，包括运算器、控制器、主存储器和输入输出设备。详细解释了计算机的工作过程，从取数、分析指令到执行指令的过程。最后，介绍了计算机的性能指标，如存储器、CPU和系统整体的性能衡量标准。

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计算机系统的概述

1.1发展历程

1.1.1计算机硬件发展

第一阶段**:电子管**计算机；

第二阶段:晶体管计算机从1960年到1964年，在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。
第三阶段:中小规模集成电路计算机。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。
第四阶段:大规模集成电路计算机。

1.1.2计算机软件发展

机器语言
汇编语言
高级编程语言

1.1.3计算机发展方向

微型计算机朝着更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展
巨型计算机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展

1.2计算机系统层次结构

计算机由硬件和软件构成，在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的，软件成本更低，硬件速度更快

1.2.1 早期冯诺依曼计算机特点

计算机由五大部分组成
指令和数据以同等地位存于存储器，可以按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成
存储程序
以运算器为核心（数据传送必须经过运算器）

1.2.2 现代计算机特点

以存储器为核心
CPU=运算器和控制器

1.2.3计算机的组成

Ⅰ运算器–实现算术运算和逻辑运算

ACC（累加器）：用于存放操作数或运算结果
MQ（乘商寄存器）：在乘除运算时存放操作数和运算结果
X（通用的操作数寄存器）：存放操作数
ALU（算术逻辑单元）：通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

	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、乘积地位	商
X	加数	减数	被乘数	除数

Ⅱ控制器–指挥程序运行

PC（程序计数器）：存放下一条指令，有自动加一的功能，完成取指令的功能
IR（指令寄存器）：存放当前执行的指令
CU（控制单元）：给出控制信号，分析指令，控制执行指令

Ⅲ主存储器–存放数据和程序

存储体：存放数据**，分成一个个存储单元（每个存储单元放一串二进制代码，存储单元中二进制代码的位数叫存储字长）
MAR（存储地址寄存器）**：MAR位数=存储单元的个数（如，4位的MAR表示总共由2^4个存储单元）
MDR（存储数据寄存器）**：MDR位数=存储字长(如，16位的MDR表示每个存储单元放16bit，也就是1个字=16bit) 1B=一个字节=8bit 1b=1bit

Ⅳ 输入输出设备

输入设备：把信息转成机器能识别的形式、
输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式

1.2.4 计算机工作过程

比如这段代码的工作过程

int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main()
{
	y=a*b+c;
}

①把代码编译之后装入主存的存储体当中

主存地址	指令(操作码)	指令(地址码)	注释
0	000001	0000000101	取数a至ACC
1	000100	0000000110	乘b的ab，存于ACC中
2	000011	0000000111	加c的ab+c，存于acc中
3	000010	0000001000	将ab+c，存于主存单元
4	000110	0000000000	停机
5	000000	0000000010	原始数据a=2
6	000000	0000000011	原始数据b=3
7	000000	0000000001	原始数据c=1
8	000000	0000000000	原始数据y=0

注意5-8行是合在一起表示数据的，不分操作码地址码，这里写到一起了

②取数(#1-#4 取指令，#5分析指令， #6-#9 执行取数的指令）

#0 首先pc指向第0条指令的存储地址0
#1 把第0条指令地址放到地址寄存器MAR中，使得MAR=0
#2 MAR读出了第0条指令的地址是0，去存储体中找到0号位置
#3 找到之后，把0号位置的指令放到MDR中，(MDR)=000001 0000000101
#4 把找到的指令放到IR中，使得IR=000001 0000000101
#5 把指令的操作码000001放到CU中，CU分析指令后得知这是取数的指令，所取的数字地址在0000000101，也就是5中
#6 AD(IR)->MAR, 把指令的地址码送到MAR中，MAR=5
#7 去存储体中找5号地址对应的数为a=2
#8 M(MAR)->MDR, 把2号地址的数放到MDR中,MDR=0000000010=2
#9 (MDR)->ACC, 把取出来的数字放到ACC中,(ACC)=000000 0000000010=2

③pc自动加1，指向第1条指令(1-4取数指令，5分析指令，6-11乘法指令)

#1 (PC)->MAR, 把pc的指令放到MAR中，使得MAR=1
#2 到存储体中找到1号位置存放的指令
#3 把存储体中找到的指令放到MDR中，MDR=000100 0000000110
#4(MDR)->IR 把MDR中的指令放到指令寄存器中，IR=000100 0000000110
#5 OP(IR)->CU,指令的操作码送到CU，CU分析知道了这是乘法指令
#6 Ad(IR)->MAR,指令的地址码送到MAR，告诉MAR接下来要取地址为6的数，导致MAR=6
#7 到存储体中找地址为6的指令
#8 把地址为6的指令放到MDR中，MDR=000000 0000000011=3
#9 (MDR)->MQ,把乘数3放到MQ中，导致(MQ)=000000 0000000011=3
#10 (ACC)->x,把被乘数2放到操作数寄存器中，（X)=2
#11 （MQ)*(X)->ACC,由ALU实现乘法运算，使得ACC=6，如果乘积太大，需要MQ辅助存储

④pc加1，指向第2条指令（6-10加法指令）

#1 (PC)->MAR, 把pc的指令放到MAR中，使得MAR=2
#2 到存储体中找到2号位置存放的指令
#3 把存储体中找到的指令放到MDR中，MDR=000011 0000000111
#4(MDR)->IR 把MDR中的指令放到指令寄存器中，IR=000011 0000000111
#5 OP(IR)->CU,指令的操作码送到CU，CU分析知道了这是加法指令
#6 Ad(IR)->MAR,指令的地址码送到MAR，告诉MAR接下来要取地址为6的数，导致MAR=7
#7 到存储体中找地址为7的指令
#8 把地址为7的指令放到MDR中，MDR=000000 0000000001=1
#9 (MDR)->X,把乘数3放到X中，导致(X)=000000 0000000001=1
#10（ACC)+(X)->ACC,由ALU实现加法运算，使得ACC=7

⑤pc加1指向第3条指令(存数6-9）

#1 (PC)->MAR, 把pc的指令放到MAR中，使得MAR=3
#2 到存储体中找到3号位置存放的指令
#3 把存储体中找到的指令放到MDR中，MDR=000010 0000001000
#4(MDR)->IR 把MDR中的指令放到指令寄存器中，IR=000010 0000001000
#5 OP(IR)->CU,指令的操作码送到CU，CU分析知道了这是存数的指令
#6 Ad(IR)->MAR,指令的地址码送到MAR，告诉MAR接下来要存地址为1000=8的数，导致MAR=8
#7 (ACC)->MDR，把要存的数据放到MDR当中，导致(MDR)=7
#8 在存储其中找到8号位置
#9 把7这个数存在地址为8的存储单元中，也就得到了结果y=7

⑥pc加1指向第4条指令

#1 (PC)->MAR, 把pc的指令放到MAR中，使得MAR=4
#2 到存储体中找到4号位置存放的指令
#3 把存储体中找到的指令放到MDR中，MDR=000110 0000000000
#4(MDR)->IR 把MDR中的指令放到指令寄存器中，IR=000110 0000000000
#5 OP(IR)->CU,指令的操作码送到CU，CU分析知道了这是停机指令通过中断机制通知操作系统终止该进程