第一章：计算机组成原理概论

一、计算机发展历程

以上表格简要介绍了计算机的发展历程，从第一代到第四代，计算机的主要元件从电子管发展到超大规模集成电路，体积越来越小，计算速度越来越快，功耗越来越低，价格越来越亲民。

二、计算机系统层次结构

1. 计算机系统组成

• 硬件系统和软件系统共同组成了一个计算机系统

2. 计算机硬件

（1）冯诺依曼计算机

• 采用“存储程序”工作方式：程序事先存入主存，然后程序的指令按规定顺序执行
• 计算机由5部分组成：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备- 指令和数据执行前都存放在内存中，CPU根据指令周期的不同阶段区分它们（2009）
• 指令和数据均用二进制代码表示（2019）
• 指令顺序存放，通常顺序执行（也可跳跃）
• 早期以运算器为中心，现代计算机以存储器为中心

（2）计算机的功能部件

图示

①输入设备

• 键盘、鼠标、扫描仪、摄像机

②输出设备

• 显示器、打印机

③存储器

• 存储系统结构

  • 寄存器–高速缓存（cache）–主存–外存（存取速度越来越慢）

• 工作方式

  • 按地址存取
    • 绝大部分存储器都是如此
  • 按内容存取
    • 相联存储器

• 重要寄存器

  • MAR（存储器地址寄存器）=地址码长度，能用于计算存储器的容量（2016）
  • MDR（存储器数据寄存器）=存储字长

• 基本概念

④运算器

• 功能
  • 进行算术运算（加减乘除等）和逻辑运算（与或非、异或、比较、移位等）
• 组成
  • 算术逻辑单元（ALU）
  • 通用寄存器
    • 累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、基址寄存器、变址寄存器
  • 标志寄存器（PSW）

⑤控制器

• 程序计数器（PC）
  • 存放当前欲执行指令的地址，能自动“+1”从而指向下一条指令的地址
• 指令寄存器（IR）
  • 存放当前执行的指令
• 控制单元（CU）

3. 计算机软件

（1）系统软件和应用软件

（2）三个级别的语言

（3）软件和硬件在逻辑功能上是等价的

4. 计算机工作过程

• 从源程序到可执行文件

• 指令执行过程
  • 取指令、分析指令、执行指令（后面章节会细讲）

5. 多级层次结构

• 高级语言机器–汇编语言机器–操作系统机器–用机器语言的机器–微指令系统

三、计算机的性能指标

1. 性能指标

（1）机器字长

（2）数据通路带宽

• 数据总线一次所能并行传送信息的位数

（3）主存容量

• 注意：1K=1024、1B=8bit、2^16=65536

（4）运算速度

①吞吐量

• 单位时间内处理请求的数量

②响应时间

• 用户发出请求到获得结果所需的时间

③CPU时钟周期

④主频

• 机器内部主时钟的频率（2013、2014）

⑤CPI

• 执行一条指令所需的平均时钟周期数（2013、2014）

⑥MIPS

• 每秒执行多少百万条指令，等于主频/（CPI*10^6）（2013、2014）

⑦每秒浮点运算次数（xFLOPS）

• M（10^6）、G（10^9）、T（10^12）、P（10^15）、E（10^18）、Z（10^21）（2011、2021、2022）

（5）基准程序

• 在不同的机器上运行相同的基准程序，从而评测机器的性能（2012、2017）

2. 重要术语

四、习题

1. 地址译码器

• 位于存储器中，能够通过输入的地址找到相应的存储单元

2. 操作系统原语

• 原语是一段用机器指令编写的完成特定功能的程序,在执行过程中不允许中断。

3. 寄存器由触发器构成

4. xFLOPS是评估科学计算的计算机性能最有效的参数

5. 浮点寄存器

• 不是CPU的一部分，而是浮点处理单元的一部分，决定计算机的计算精度 当前设计高性能计算机的重要途径是采用并行处理技术

6. 透明