【知识点篇]《计算机组成原理》之计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

世界上第一台电子数字计算机

  • 1946年,ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)在美国宾夕法尼亚大学研制成功。
  • 性能低,耗费巨大,但却是科学史上的一次划时代的创新,奠定了电子计算机的基础,宣告人类进入电子计算机时代。

1946-1959  第一代电子管计算机时代

(1)UNIVAC   埃克特和莫克利

  • 第一个进行批量生产的计算机

(2)EDVAC  冯诺依曼

  • 1950问世的第一台并行计算机EDVAC
  • 首次实现了冯·诺依曼的两个重要设想:存储程序和采用二进制

(3)IBM  701

  • 1952年IBM 701在商战中击败UNIVAC
  • 使IBM实现了全面的转型,奠定IBM产业霸主地位

1959-1964 晶体管造就第二代计算机

1954年美国贝尔实验室于研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。相比采用定点运算的第一代计算机,第二代计算机普遍增加了浮点运算,计算能力实现了一次飞跃。


1964-1970  第三代集成电路计算机

1958年,美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。 集成电路的出现使得计算机脱胎换骨 .


   速度越来越快、 体积越来越小、 成本越来越低、 功耗越来越低

1.2 计算机系统组成

1.2.1计算机硬件系统

(1)冯诺依曼体系结构

什么是冯诺依曼体系结构?

是一种将程序指令存储器 和 数据存储器合并在一起的存储器结构 .计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成。 指令和数据均采用二进制数表示,并以二进制数形式进行运算 。 程序(指令)与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中 。

运算器完成算术运算,逻辑运算
控制器控制指令的执行,根据指令功能给出实现指令功能所需的控制信号
主存储器存放程序及数据
输入设备、输出设备
总线(地址总线,数据总线,控制总线)

(2) 哈佛体系结构:


1.2.2计算机软件系统

(1)定义:软件系统是一台计算机中全部程序的集合。

(2)系统软件分类:

  • 系统软件:用来管理整个计算机系统(语言处理程序、操作系统、服务型程序、数据库管理系统、网络软件)。
  • 应用软件:按任务需要编制成的各种程序 。

1.2.3计算机硬件系统与软件系统的关系

计算机硬件是载体,软件是灵魂。

  • 互相依存:计算机系统必须配备完善的软件系统,软件应充分发挥硬件的功能
  • 逻辑等效性:某些功能既可由硬件实现,也可由软件来实现
  • 协同发展:软件随硬件技术的迅速发展而发展,而软件的不断发展善又促进硬件更新

1.3 计算机系统层次结构

1.4 计算机系统性能评价

(1)非时间指标:

  • 机器字长,机器一次能处理的二进制位数

由运算器、寄存器的位数决定;
一般与内部寄存器的位数相等;
字长决定数据表示范围与精度;
目前常见的有32位和64位字长。
  • 总线宽度,数据总线一次能并行传送的最大信息位数

 运算器与存储器之间的数据总线位数

  • 主存容量,是指一台计算机主存所包含的存储单元总数。


(2)时间指标 :

  • 主频 f,CPU工作的时钟频率;
  • 周期 T = 1/f,计算机中最基本的、最小的时间单位。一个时钟周期CPU仅完成一个最基本的动作;
  • CPU时间Tcpu, Tcpu=m·T =m/f  =CPI · IC · T=CPI · IC / f
  • CPI,执行一条指令 (平均) 需要的时钟周期数,每类指令的使用频率为Pi,每类指令的CPI为CPIi,每类指令的条数为ICi。
CPI=m/IC
CPI=Σni=1(CPIi · Pi)=Σni=1(CPIi · ICi/IC)
  • MIPS,表示每秒钟执行指令的条数  (以百万条为单位)
MIPS=IC/(Tcpu·106)=f/CPI=IPC·f
  • MFLOPS,表示每秒钟执行浮点指令的条数  (以百万条为单位)

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