计算机组成原理第一章：计算机系统概览笔记

简介：
本章笔记涵盖了计算机系统的整体概念、基本构成和工作原理，包括硬件与软件的关系及计算机体系结构的基础知识。 ### 计算机组成原理第一章：计算机系统概述笔记 #### 1.1 计算机发展历程 ##### 1.1.1 国外计算机发展概况 - **第一代（20世纪四五十年代）**: 使用电子管作为基本元件，存储介质包括声延迟线、磁鼓和纸带等。主要特点是定点运算，代表性机器有ENIAC、EDVAC 和 EDSAC。这一时期使用的主要是低级语言。 - **第二代（20世纪五六十年代）**: 开始使用晶体管，内部采用磁芯存储器，外部则继续使用磁鼓和磁带等介质。引入了浮点运算、变址、中断以及IO处理器等功能，并出现了高级语言及编译器。代表性机器包括TRADIC 和 IBM 7070。 - **第三代（20世纪六七十年代）**: 集成电路开始广泛应用，存储设备转向半导体磁盘。操作系统成为这一时期计算机的重要组成部分，代表机型如DEC PDP、IBM 360和CDC 6600等。 - **第四代（20世纪七八十年代）**: 超大规模集成电路(VLSI)的应用使得计算机体积缩小且功能增强，代表性机器包括Cray-1。 ##### 1.1.2 摩尔定律 摩尔定律指出，在价格不变的情况下，集成电路上容纳的晶体管数量大约每18至24个月增加一倍。这不仅反映了集成电路的发展趋势，也预示了计算机硬件性能的进步。 ##### 1.1.3 集成电路工艺发展概况 随着技术进步，单芯片上的集成度不断提高而成本变化不大，使得整体成本降低；同时，内部连线减少提升了工作速度，并增强了可靠性和适应性。 ##### 1.1.4 我国计算机发展概况 中国在电子管计算机起步后迅速追赶，在21世纪初取得了显著成就特别是在超级计算机领域。 #### 1.2 计算机系统的组成 ##### 1.2.1 计算机硬件系统 冯诺依曼结构是现代电脑的基本架构，包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备。其特点在于： - **存储器**: 存储程序与数据。 - **控制器**: 控制指令执行流程。 - **运算器**: 完成算术及逻辑操作。 - **输入/输出设备**: 实现人机交互。 ##### 1.2.2 计算机软件系统 包括操作系统、编程语言及其处理程序（如编译器）、数据库管理系统和应用程序等部分。这些组件共同构成了计算机系统的软件基础，支持硬件的功能并提供用户接口和服务。 #### 1.3 计算机系统的层次结构 从底层到高层的计算机系统架构包含硬件层、操作系统层、编程语言层及应用层。每一层级都建立在下一层之上，并依赖其提供的服务来实现功能扩展和优化。 #### 1.4 计算机性能指标与评价方法 ##### 1.4.1 基本性能指标 - **字长**: 运算器一次处理的二进制位数。 - **总线宽度**: 决定了数据传输速率。 - **主存容量**: 主存储器可容纳的信息总量。 - **存储带宽**: 单位时间内读写的数据量。 ##### 1.4.2 时间相关的性能指标 包括时钟周期、CPU频率（Hz）、外频、倍频比值，以及每条指令所需时间(CPI)。此外还有衡量执行效率的参数如IPC(每个时钟周期内完成的指令数)，MIPS和MFLOPS等。 ##### 1.4.3 CPU性能公式应用 评估CPU性能可通过比较实际运行速度与理论最大速度的比例或不同CPU之间的MIPS值来实现，以此确定其相对效能水平。