计算机组成原理学习笔记——概论（1）

一、计算机的发展

1、计算机的四代划分

• 所谓的”四代计算机“是以计算机采用的逻辑元器件为划分依据进行划分的。具体如下：

  代数	电子元器件	编程语言	优缺点
  第一代	电子管	机器语言	主存用延迟线或磁鼓存储信息，容量极小；运算速度较低，算力只有几千次到几万次每秒
  第二代	晶体管	开始使用高级语言，如 FORTRAN	算力得到提高，有几万次到几十万次每秒；主存用磁芯存储器；有了操作系统的雏形
  第三代	中小规模集成电路	使用高级语言如C/C++	使用半导体存储器，出现分时操作系统
  第四代	超大规模集成电路	使用高级语言	产生了微处理器，并行、流水线、高速缓存和虚拟存储器等概念都应用在这代计算机

2、元器件的发展

2.1、摩尔定律

• 在进入集成电路之后，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 个月增加一倍，性能也将提升一倍

2.2、半导体元器件的发展

• 半导体存储器经历了 11 代：1KB, 4KB, 16KB, 64KB, 256KB, 1MB, 4MB, 16MB, 64MB, 256MB 以及现在的 GB 和 TB。

2.3、微处理器的发展

• 微处理器也经历了从最初的 8 位到现在的 64 位。这里的 位 是指机器字长。

3、软件方面的发展

• 软件方面的发展主要指所使用的编程语言的发展，一般可以分为如下三个阶段：

• 1）第一阶段：代表语言 FORTRAN，面向科学计算和工程计算。
  2）第二阶段：结构化程序设计阶段，代表语言为 PASCAL
  3）第三阶段：面向对象程序设计阶段，代表语言为 C++，以及适应网络环境的面向对象语言 Java。

• 软件发展有以下几个特点：
  1）开发周期长
  2）制作成本昂贵
  3）检测软件产品质量的特殊性

4、计算机的分类和发展方向

• 计算机可分为电子模拟计算机和电子数字计算机。又可以按照用途划分为专用计算机和通用计算机。通用计算机分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类，机身配备的软硬件资源也是从复杂到简单。
• 又可以按照指令和数据流划分为：
  1）单指令流和单数据流系统（SISD），即传统的冯·诺伊曼体系结构。
  2）单指令流和多数据流系统（SIMD），包括阵列处理器和向量处理器系统。
  3）多指令流和单数据流系统（MISD），实际并不存在。
  4）多指令流和多数据流系统（MIMD），包括多处理器和多计算机系统。
• 计算机的发展呈”两极“分化趋势：一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展；另一极是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化发展。

二、基础概念

1、计算机的软硬件

• 计算机系统由“硬件”和“软件”两部分组成。
• “硬件”指计算机的实体部分，由各种摸得着看得见的电子元器件组成；软件，由人们事先编制的具有各种特殊功能的程序组成。一般而言，计算机性能的好坏，取决于“软”、“硬”件的总和。
  计算机软件可分为：系统软件和应用软件。
• 系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件主要有操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序（汇编程序、编译程序、解释程序）、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序。
• 应用软件指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序，如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序等。
• 一个典型的计算机可以分为四层：
  
• 加上操作系统后，呈如下结构：
  

2、翻译程序

• 翻译程序是指把高级语言源程序转换成机器语言程序（目标代码）的软件。翻译程序分为编译程序和解释程序。
• 前者一次性将源程序翻译成机器代码，只要源程序没有发生变化就无需再次编译。
• 后者将源程序的一条语句翻译成机器代码并立即执行，然后翻译下一条，直到翻译完所有语句，并且不生成目标程序，每次重新执行都需要解释。

3、计算机体系结构与计算机组成

• 计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构和功能特性。计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含了许多对程序员来说透明的硬件细节。区分计算机结构与计算机组成这两个概念十分重要。

4、存储程序原理

• 是指将指令以代码的形式实现输入计算机的主存储器，然后按器在存储器中的首地址执行程序的第一个指令，以后就按程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束。按照“存储程序”原理，计算机应当具有数据传送、数据存储、数据处理、操作控制和操作判断这些功能。

5、冯·诺伊曼机器的特点

• 1）计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
• 2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按址寻访。
• 3）指令和数据均用二进制数表示。
• 4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址吗用来表示操作数在存储器中的位置。
• 5）指令在存储器内按顺序存放。
• 6）机器以运算器为中心，输入和输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

6、现代计算机结构的特点：

• 现代计算机在冯·诺伊曼机的基础上进行修改，以存储器为中心，如下：
  
• 1）运算器处理算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
• 2）存储器用来存放数据和程序。
• 3）控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算的结果。
• 4）输入设备将用户输入的数据转换为机器能识别的信息形式
• 5）输出设备将机器运算结果转换为用户熟悉的信息形式。
• 由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，在大规模集成电路工艺时代，这两个部件通常集成在一个芯片上，称为CPU，因此现代计算机可视为由 CPU、I/O 设备以及主存；CPU 和主存结合可称为主机，I/O 称为外部设备。
  

三、计算机的五大功能部件机器细化分解

• 所有计算机都有这五大功能部件：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。
  

1、输入和输出

• 输入设备主要功能就是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息的形式输入计算机，如键盘、鼠标、扫描仪等。
• 输出设备主要功能就是将计算机处理的结果以人们所能接受的信息或其他系统所要求的信息形式输出，如显示屏等。

2、存储器

• 存储器用于存放程序和数据。
• 计算机的存储器分为主存（内部存储器）和辅存（外部存储器）。CPU 能够直接访问的存储器就是主存储器；辅存中的程序或数据必须先调入主存中才能被 CPU 访问。
• 主存储器由各种存储单元构成，每个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为存储字。
  
• 主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出），这种存取方式称为按址存取方式，即按址访问存储器（简称访存）。
• 要实现按址寻访的方式，主存中需要两个寄存器：MAR 和 MDR，以及一个时序控制逻辑。
• MAR（Memory Address Register，存储器地址寄存器）存放要访问的存储单元的地址，位数对应存储单元的个数（如 MAR 有 10 位，则有 1024 个 存储单元，记为 1 K）。
• MDR（Memory Data Register，存储器数据寄存器）存放从存储单元取出来的代码或准备往某存储单元存入的代码，位数与存储字长相等。
• 时序控制逻辑用于产生存储器操作所需要的各种时序信号。
  
• 上图的译码器位于地址寄存器和存储体之间，为了增强信号通常还在这个部位增加一个驱动器，如下图：
  

3、运算器

• 运算器是一台计算机中不可或缺的部分，可谓是计算机的灵魂。
• 运算器是计算机的执行部件，用于进行诸如加减乘除等算术运算和与或非等逻辑运算。
• 运算器由 ALU、ACC、MQ 和 X 这四个寄存器组成。
• ALU（Arithmetic and Logical Unit）算术逻辑单元，是运算器的核心；ACC（Accumulator）累加器，MQ（Multiplier-Quotient Register）乘商寄存器；X 为通用寄存器，也称之为操作数寄存器。
  
• 除了这三个必须有的，运算器中还可以有变址寄存器（IX）和基址寄存器（BR），程序状态寄存器（PSW）。程序状态寄存器也称标志寄存器，用于存放 ALU 运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息，如结果是否溢出、有无产生进位或借位、结果是否为负等。
  

4、控制器

• 控制器是计算机的指挥中心，指挥各个部件协调工作。
• 控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成。PC 存放当前欲执行指令的地址，可以自动加 1 形成下一条指令的地址，与主存的 MAR 之间有一条直接通路；IR 用来存放当前的指令，其内容来自于 MDR。
• 控制器的工作过程可以分为三步：
  
  下一篇