1.计算机发展历程

硬件的发展： 电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路
摩尔定律： 价格不变时，每18个月，集成电路可容纳的晶体管数量和性能增加一倍
微型计算机的发展以微处理器技术为标志

计算机体系结构：有无乘法指令
计算机组成原理：乘法指令的实现

2.计算机系统层次结构

2.1 冯诺依曼机

特点：

• 计算机由如图5部分组成
• 以运算器为中心
• 指令和数据以同等地位存储在存储器，可按址寻访，CPU通过指令周期的不同阶段区分指令和数据
• 指令和数据以二进制表示
• 指令由地址码[ Ad(IR) ]和操作码[ Op(IR) ]组成
• 首次提出“存储程序”的概念，基本工作方式是控制流驱动方式
• 运算器成为“瓶颈”
• 不具有层次结构

“存储程序”：

基本思想： 程序和原始数据送入主存后才能执行，一旦启动就无需人为干预
基本特点： 按地址访问并顺序执行指令
存储程序原理： 将指令以代码的形式事先输入主存，执行首地址的第一条程序，按顺序执行其他指令，直至结束
计算机按此原理应该具有5个功能： 数据传送、数据存储、数据处理、操作控制、操作判断

2.2 现代计算机

以存储器为中心

2.3 功能部件

存储器

主存储器(内存储器)： CPU能直接访问

辅存储器(外存储器)： 信息必须调入主存后，才能被CPU访问

地址存储器(MAR)、数据存储器(MDR)
MAR： 指明要读写哪个存储单元，位数反映存储单元数量，=PC位数
如：MAR为10位，则有2¹⁰=1024个存储单元
MDR： 暂存要读写的数据，位数=存储字长
现代计算机中和高速缓存(Cache)被放在CPU内

存储体

• 存储体由许多存储单元组成
• 存储单元包含若干存储元件
• 存储元件存储一位0/1
• 存储字： 存储单元存储的一串二进制代码

运算器

核心是算术逻辑单元(ALU)
必备：ACC(累加器)、MQ(乘商寄存器)、X(操作数寄存器/通用寄存器：存放操作数)
非必备：变址寄存器(IX)、基址寄存器(BR)、程序状态寄存器/标志寄存器(PSW)
ALU和X的位数一定等于机器字长

控制器

计算机的指挥中心
组成： 程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、控制单元(CU)
取指令： PC 存放当前欲执行指令的地址，可以自动+1形成下一条指令的地址，与MAR有直接通路
分析指令： IR 存放当前指令，内容来自MDR
执行指令： 指令的操作码[ OP(IR) ]送往CU，以分析微指令命令序列，给出控制信号；指令的地址码[ Ad(IR) ]送往MAR，以取操作数

部件综述

• CPU： 运算器和控制器集成到一块芯片
• 主机： CPU+主存
• 外设： 主机以外的硬件(外存、I/O)
• 总线： 连接CPU和主存

寄存器由触发器构成
指令寄存器对用户完全透明
磁盘可以永久存放数据和程序
实际软件的运行情况全面代表计算机性能
软件和硬件在逻辑功能上等价
系列机的基本特性是指令系统向后兼容

2.4 软件

系统软件： 操作系统、编译程序、连接程序、数据库管理系统(DBMS)、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序
应用软件： 数据库系统、文本处理

2.5 层次结构

2.6 工作原理

存储程序工作方式

• 第一条指令的地址放到PC，根据PC从主存取指令
• 指令译码
• 计算下一条指令的地址，如PC=PC+1
• 取操作数并执行
• 将结果送回存储器

从源程序到可执行文件

计算机硬件能直接执行的是机器语言

3.计算机的性能指标

字长

机器字长：数据运算的基本单位长度
决定计算机计算精度的主要技术是计算机的字长

数据通路带宽

外部数据总线一次能并行传送信息的位数

主存容量

字数 X 字长
如：若MAR为16位，即64K，若MDR为32位，则存储容量为64K X 32位

运算速度

吞吐量： 系统在单位时间内出处理的请求的数量
响应时间： 发送请求到做出响应并获得结果所需的等待时间
主频(CPU时钟频率)： 1Hz表示每秒1次
CPU时钟周期： 主频的倒数，执行指令的每一个动作至少一个时钟周期
CPI： clock cycle per instruction，平均值
MIPS： 主频/(CPIx10⁶)
MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS

描述存储容量、文件大小时，K=2¹⁰，M=2²⁰，G=2³⁰，T=2⁴⁰
描述速率、频率时，k=10³，M=10⁶，G=10⁹，T=10¹²，P=10¹⁵，E=10¹⁸，Z=10²¹
用于科学计算的计算机中，标志性能最有用的参数是MFLOPS

兼容

计算机软件或硬件的通用性，通常在同一系列不同型号的计算机间通用

4. 计算机的应用

科学计算

数据处理

如：会记电算化