计算机组成原理 第一章 计算机系统概述

第一章 计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

1.1.1 什么是计算机系统

• 计算机系统
  • 硬件：如主机，外设
  • 软件：由具有各类特殊功能的程序组成
    • 系统软件：管理整个计算机系统，操作系统，数据库管理系统，标准程序库， 络软件（TCP/IP），语言处理程序（编译程序，把高级语言翻译成机器语言），服务程序
    • 应用软件：按任务需要编制的各种程序，如QQ，微信
• 计算机性能的好坏取决于硬件和软件功能的总和。
• 计组是研究硬件在底层是如何协调工作的。

信息化世界

• 计算机硬件能识别的数据
  • 计算机硬件唯一能识别的数据是 二进制数0和1
• 计算机硬件是如何识别0和1这两个二进制数的
  • 用两种电信 ，分别是低电平/高电平来表示0/1
• 什么是低电平/高电平种电信 可以表示为：
  • 低电平表示二进制0
  • 高电平表示二级制1

CPU或者内存的金属针脚，是这些硬件用来发送或者接受数据的。

那么这些数据是如何进行交换的板上面的印刷电路，可以理解是电线，用来导电，释放低电平或者是高电平这种电信 ，也就是0或者1。

第一台电子数字计算机：ENIAC，1946年，第二次世界大战快结束时期，美国军方用来计算武器的射程等，军方提出的。请的顾问是 冯诺依曼，采用电子管作为逻辑元件。什么是逻辑元件算机在进行数字计算时候，本质是处理一些电信 ，所谓逻辑元件就是用来处理这些电信 的最小基本单元，这台计算机就是把很多很多的逻辑元件用线路连接起来，从而实现用电路来运算的功能，每个电子管的体积是比较大的，总共使用了1.8万个电子管。

第一代：电子管时代

贝尔实验室发明了晶体管，晶体管体积比电子管小很多，计算机的体积也变小了，开始出现面向过程的高级语言：FORTRAN。为了让计算机有自我管理的功能，出现了操作系统的雏形。这个阶段制造一台计算机需要几万到几十万个晶体管，那手动把他们焊接到电路板上，那可能就有几百万个焊接点，这个阶段计算机硬件不是很可靠的，如果有一个焊接点出现问题可能导致计算机无法工作。后来就有人发明了集成电路。

第三代：中小规模集成电路时代

随着集成电路制作工艺的提升，进入到这个阶段，芯片技术进步。

英特尔的CPU发展情况：

1.1.3 计算机软件的发展

1.2 计算机硬件的基本组成

1.2.1 早期的冯诺依曼结构

ENIAC这台计算机的问题是每一步的操作需要执行什么指令，每一步都是需要程序员手动去连接线缆告诉计算机，虽然这台计算机的操作速度快，但是程序员每一次都要手动接线告诉计算机怎么做，因此ENIAC的速度就被手动操作耗时给抵消了，所以为了解决这个问题，冯诺依曼第一次提出了存储程序。

ENIAC这台计算机，是程序员说一句，它做一句，而冯诺依曼提出的带存储程序的计算机，把所有要执行的指令一口气告诉计算机，全部放到主存里，然后计算机一条一条执行指令，程序员不需要手动接线。大幅提升计算速度

1.2.2 现代的计算机结构

也是冯诺依曼结构的优化

1.2.3.3 控制器

• 控制器是计算机的指挥中心，由其“指挥”各部件自动协调地进行工作。
• 控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）组成。
  • PC用来存放当前欲执行指令的地址，可以自动+1以形成下一条指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路。
  • IR用来存放当前的指令，其内容来自主存的MDR,指令中的操作码OP（IR）送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列，而地址码Ad(IR)送往MAR来取操作数。
  • 现代计算机一般是将运算器和控制器集成到同个芯片上，合称为中央处理器，简称CPU。CPU和主存储器共同构成主机，而计算机中主机的其他硬件装置（如I/O）统称为外部设备（简称外设）。也就是说，外设主要包括外存和IO设备。

1.2.3.4 计算机执行过程

计算机的工作过程分为以下几个步骤：

1. 把程序和数据装入到主存储器中。

2. 从程序的起始地址运行程序。

3. 用程序的首地址从存储器中取出第一条指令，经过译码、执行步骤等控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令功能，并计算下一条指令的地址。

4. 用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止：每一条指令都是在取指、译码和执行的循环过程中完成的。

下面以取数指令（即将指令地址码指示的存储单元中的操作数取出后送至运算器的ACC中）为例，其信息流程如下：

1. 取指令：PC→MAR→M→MDR→IR

2. 分析指令：OP（IR）→CU

3. 执行指令：Ad（IR）→MAR→M→MDR→ACC

   此外，每取完一条指令，还必须为取下条指令作准备，形成下一条指令的地址，即（PC）+1。

   注意：PC指程序计数器PC中存放的内容。PC→MAR应理解为（PC）→MAR，即程序计数器中的值经数据通路送到MAR，也即表示数据通路时括 可省略（因为只是表示数据流经的途径，而不强调数据本身的流动）。但是运算时括 不能省略，即（PC）+1→PC不能写为PC+1→PC。

1.3 计算机系统层次结构

1.4 计算机性能指标

1.4.1 存储器的性能指标

CPI：Clook cyclc Per Instruction，执行一条指令所需的时钟周期数。

同一个CPU，执行不同的指令，CPI不同，甚至是相同的指令，同一个CPU执行多次，CPI也会不同。比如CPU 执行取数指令，跟主存的状态也有关，如果主存负荷较大，那取数时间也会变长，也就是需要更多的时钟周期。所以执行一条执行需要花多少个时钟周期，这个问题我们放在微观视角来看，是毫无意义的，因为影响CPU指标的因素太多，我们一般讨论执行一条执行需要花多少个时钟周期的时候，讨论的是平均值，执行一条指令的耗时=CPI * CPU时钟周期