计组-绪论(1)

1.1 计算机发展历程(*)

第一台电子数字计算机: ENIAC(1946)

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

1.2 计算机硬件的基本组成

计算机硬件的基本组成

冯·诺依曼计算机

  • 采用“存储程序”的工作方式
  • 计算机由五大部件组成
  • 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
  • 指令和数据用二进制表示
  • 指令由操作码和地址码组成
  • 以运算器为中心

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现代计算机

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各个硬件的工作原理

主存储器的基本组成

  • 存储体
  • MAR（Memory Address Register, 存储地址寄存器）
  • MDR（Memory Data Register, 存储数据寄存器）

现在的计算机通常把MAR、MDR也集成在CPU内

存储体分成若干个存储单元

存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码

存储字(word)：存储单元中二进制代码

存储字长：存储单元中二进制代码的位数

存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit

运算器的基本组成

  • ACC：累加器（Accumulator），用于存放操作数，或运算结果
  • MQ：乘商寄存器（Multiple-Quotient Register），乘除运算时用于存放操作数或运算结果
  • X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数
  • ALU：算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit），实现算术运算和逻辑运算。

控制器的基本组成

  • CU：控制单元（control Unit），分析指令，给出控制信号
  • IR：指令寄存器（Instruction Register），存放当前执行的指令
  • PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1的功能

计算机软件

应用软件：解决某个应用领域的问题而编制的程序

系统软件：负责管理硬件资源，并向上层应用程序提供基础服务

三个级别的语言：高级语言、汇编语言、机器语言

计算机系统的层次结构

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计算机系统的工作原理

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1.3 计算机的性能指标

存储器的性能指标

$$
总容量=存储单元个数\times 存储字长 (bit)
$$

MAR位数 $k$ 反映存储单元的个数 $2^k$

MDR位数=存储字长=每个存储单元的大小

Eg：MAR 为 $32$ 位，MDR为 $8$ 位，总容量=$2^{32}\times8,bit=4,GB$

CPU的性能指标

时钟频率（CPU主频）：CPU内数字脉冲信号振荡的频率。

$$
时钟频率 = \frac{1}{cpu时钟周期} (hz)
$$

CPI (Clock cycle Per Instruction)：执行一条指令所需的时钟周期数。

不同的指令，CPI 不同。甚至相同的指令，CPI也可能有变化。

$$
执行一条指令的耗时=CPI \times CPU 时钟周期数
$$

$$
CPU执行时间(程序耗时)=时钟周期数/主频=（指令条数*CPI）/主频
$$

IPS （Insturctions Per Second）: 每秒执行多少条指令

FLOPS 每秒执行多少次浮点运算

非二进制相关的的用 K ，M 修饰，表示的是十进制，例如：

KIPS = $10^3$ IPS

系统整体的性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通关数据总线传输数据）

吞吐量：指系统在单位时间内请求的数量

响应时间：指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得他所需要的结果的等待时间。

动态测试

基准程序是用来测量计算机处理速度的一种实用程序，以便于被测量的计算机性能可以与运行相同程序的其它计算机性能进行比较。

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