浅谈计算机系统（浅谈计算机系统结构的发展）

浅谈计算机系统（浅谈计算机系统结构的发展）

计算机系统

（一）发展历史

第一代    电子管计算机

​时间：（1946-1957年)->​“​​电子管计算机时代​​”​​​​​1946年2月，第一台电子计算机ENIAC在美国加州问世，ENIAC用了18000个电子管和86000个其它电子元件，有两个教室那么大，运算速度每秒300次各种运算或5000次加法，耗资100万美元以上。用的存储设备为打孔机。​​​​​​缺点：​​​​体积庞大，电子管使用量庞大且散热性差，成本较高。​​​​​主要用途：​科学研究和工程计算。​​​

​​第二代 晶体管计算机​​

​​​时间：(1960-1964) ->"​​​​晶体管计算机时代​​​​"​​​​​​改进：​​​​使用晶体管替换电子管​​​​，晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。​​​​​​主要用途：​​​​学校教育、政府机关办公、商业。​​​​​​​​

​​第三代  中小规模集成电路计算机​​

​时间：（1965-1970）->"​中小规模集成电路计算机时代​"​​改进： 引入了集成电路，​集成电路（​​Integrated Circuit，简称r​​）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。​​​​优点：​​体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。​​

第四代  大规模和超大规模集成电路计算机

​时间：(1972-1990)​​变化​：​​集成电路大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（​​LargeScale lntegrated Circuit，简称LSI​​）和超大规模集成电路（​​Very Large Scale lntegrated Circuit，简称VLSI​​）。​​​​1975年，美国1BM公司推出了个人计算机PC（PersonaI Computer）​​

第五代 新一代计算机

​时间：1991年之后​​改进：​​信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起。​​​​功能：​​它能进行数值计算或处理一般的信息，主要能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识.人-机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图象交换信息。​​​

​计算机性能指标（​CPU/存储器性能指标、I/O吞吐率​）​

​（1）​吞吐量​：表示计算机在一段时间间隔内能够处理的信息量，主要取决于​主存的存储周期。​​

​（2）​响应时间​：指的是从输入有效到系统产生响应之间的时间量度。​

​（3）​处理机字长​：指处理运算器中一次（​一条机器指令​）能够完成二进制运算的位数。如64位、32位等​

​（4）​总线宽度​：一般指CPU中运算器和存储器之间进行互连的内部总线二进制位位数。​

​（5）​存储器容量​：存储器中所有存储单元的总数目。通常用KB、GB、TB来表示。​

​存储器容量=存储器单元数*每个单元的位数​

​（6）​存储器带宽​：单位时间内从存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。​

​（7）​主频/时钟周期​：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的始终，主时钟的频率（f）叫做CPU的主频。​

​时钟周期（T）       ​

​​T=1/f​​

​（8）​​CPU执行时间​： 表示CPU执行一般程序所占的CPU时间。​​

​​CPU执行时间=CPU时钟周期数*CPU时钟周期​​​​程序执行时间=指令条数*CPI*时钟周期​​

​（9）​CPI ​表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。​

​CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数​

​（10）​MIPS​：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数。​

​MIPS=指令数/（程序执行时间*10^6）=f/（CPI*10^6）​

​（二）计算机硬件​

​I.运算器（ALU）​

​名称：​ALU​(算术逻辑运算部件)​​功能：​进行数字运算（加减乘除）和逻辑运算​​​在计算数的运算过程中，数的位数越多，计算精度越高，所需的电子器件也会越多。计算机运算器的长度一般为8位、16位、32位、64位。​

II.存储器

​​定义：由众多存储单元组成的空间。​​​​地址​：每个存储单元的编号。​​​存储容量​：存储器所有存储单元的总数。​​​功能​：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。​​​分类：​​​​内存储器（内存）​：半导体存储器。​​外存储器（外存）：磁盘存储器和光盘存储器。​​注意：​访问存储容量的数据线条数只与单元数有关，与每个单元的空间的大小无关。​​​理解如下图​

III.控制器

​​定义​：是计算机中发号施令的部件。​​​任务​：从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作（按照计算机程序所排的指令序列执行指令）。​​​指令​：计算机执行操作的命令，由操作码和地址码。（​在什么地方做什么​）。​​取值周期：取出指令的一段时间。​​执行周期：执行指令的一段时间。​​​计算程序（程序）​：解决某一问题的一串指令序列。​​​问题1​：  ​是如何实现自动化执行的呢？​​​通过控制器中的程序计数器（​PC:可以理解为是指针，可以移动​），存放的内容为即将执行的指令所在存储单元的地址。​​​问题2​：信息（计算机字）既可以包括指令（指令字）也可以包括数据（数据字），如何区分呢？​​一般来说，取值周期中从内存中读出的信息流是​指令流，它流向控制器​；在执行周期中从内存中读出的信息流是​数据流，它由内存流向运算器​。​

IV.输入/输出设备（外围设备）

​输入设备：将人们所熟悉信息变换为机器内部所能接受和识别的二进制信息形式。​​输出设备：将计算机处理的结果变为人或其他机器设备所能接受和识别的信息形式。​

适配器

​功能：使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便主机和外围设备进行协调工作。

（二）计算机软件

​定义：​( Software，也称软件)是指​​计算机系统中的程序及其文档​​，程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。​​​分类：​系统软件和应用软件​​​​系统软件：简化程序设计、使用方法，提高使用效率，扩展功能和用途​​​（1）​服务性程序​：诊断程序、排错程序、练习程序等。​​（2）​语言程序​：如汇编程序、编译程序、解释程序等。​​（3）​操作系统​​​（4）​数据库管理系统​​​应用软件：指的是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如自动控制程序、情报检索程                序等等。​​注意：​​数据库(Data Base,DB)：是以一定方式存储的相互关联的数据的集合，数据能够长期存储、统一管理 和控制，且可以被不同用户共享。​数据库管理系统（Data Base Management System,DBMS）：是介于用户和操作系统之间的数据管理软件，主要包含有四个方面：数据定义、数据操纵、数据库运行控制、数据库的建立和维护等。​​数据库系统(Data Base System,DBS):数据库和数据库管理系统在一起组成了数据库系统。​

（三）计算机系统的层次结构

​计算机系统是一个由硬件、软件组成的多层次结构，总共包含五个层次，每一级都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。​

冯.诺依曼计算机

​体系结构如下​

​​工作原理​：存储程序并按地址顺序执行。​​​运算器和控制器​合在一起称为CPU（​中央处理器​），加入了​存储器​后，称为CPU（​中央处理机​）​​特点：​​（1）由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成计算机（硬件）系统。​​（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中。​​（3）数据以二进制数码表示。​​（4）指令由​操作码​和​地址码​组成。​​（5）指令由存储器按​顺序存放​，由程序计数器（PC）指明要执行的指令所在的地址单元，一般按照顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。​

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