计算机组成原理之计算机系统概论、计算机的发展史、系统总线，三章开篇讲

第一章-计算机系统概论

1计算机系统简介

现代计算机的多态性

把感应器嵌入和装备到电网、铁道、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成“物联网”，然后将“物联网”与现有的网络整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，形成智慧地球。

1.1.计算机软硬件概念

系统软件：用来管理整个计算机系统，其中有语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件。

应用软件：按任务需要编制成的各种程序。

1.2.计算机系统的层次结构

系统复杂性管理的方法

抽象：对于一个过程或者一件制品的某些细节有目的的隐藏，一边把其他方面、细节或者结构表达得更加清楚。

计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）

计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性。（具体指令的实现）

2.计算机的基本组成

2.1.冯·诺依曼计算机的特点

1. 计算机由五大部件组成

2. 指令和数据以同等的地位存于存储器，可按地址寻访

3. 指令和数据用二进制表示

4. 指令由操作码和地址码组成

5. 存储程序

6. 以运算器为中心

实现表示数据、虚线表示控制指令

2.2.计算机硬件框图

以存储器为中心的计算机硬件框图

现代计算机硬件框图

系统复杂性管理的方法

层次化（Hierachy）将被设计的系统划分为多个模块或子模块

模块化（Modularity）有明确定义（well-defined）的功能和接口

规则性（regularity）模块更容易被重用

2.3.计算机的工作步骤

上机前的准备

建立数学模型 u = Um·Sinwt

确定计算的方法：

编制解题程序：程序——运算的全部步骤、指令——每一个步骤

编程举例：

计算ax2+bx+c

取x至运算器中

乘以x在运算器中

乘以a在运算器中

存ax2在存储器中

取b至运算器中

乘以x在运算器中

加ax2在运算器中

加c在运算器中

指令格式举例

指令和数据都是保存在存储器中的。

2.4.存储器的基本组成

存储体 - 存储单元 - 存储元件

存储单元 存放一串二进制代码

存储字 存储单元中二进制代码的结合

存储字长 存储单元中二进制代码的位数，每个存储单元赋予一个地址

按地址寻访

MAR 存储器地址寄存器 反映存储单元的个数

MDR 存储器数据寄存器反映存储字长

2.5.运算器的基本组成

加法操作过程：

减法操作过程：

乘法操作过程：

除法操作过程：

2.6.控制器的基本组成

完成一条指令：取指令，分析指令、执行指令

PC存放当前预执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1 -> PC

IR存放当前预执行的指令

主机完成一条指令的过程：

MAR和MDR都是寄存器，通常集成在CPU的芯片中，它们是存储器联系外部的窗口，或称接口寄存器。

MAR，全称Memory Address Register，主存地址寄存器，用来保存数据被传输到的位置的地址或者数据来源位置的地址。在读取操作时，外部会将地址传入MAR中，MAR会根据地址在CU的控制下，找到存储体中对应的存储单元并将数据拷贝到MDR中（先读取到MDR），随后MDR在CU的控制下将数据拷贝到外部需要的位置（再由MDR将数据传递给外部）。

MDR，全称Memory Data Register，主存数据寄存器，用来保存要被写入地址单元或者从地址单元读入的数据。在写入（存数）操作时，外部会将地址传入MAR中，MAR会将地址传递给存储体，告知存储器接下来要往地址对应的存储单元写入数据，随后外部会将数据拷贝至MDR（先传递给MDR），再由MDR将数据传递给存储体（再写入到存储单元）。

具体实现：

将程序通过输入设备送至计算机

程序首地址->PC

启动程序运行

取指令 PC -> MAR ->M ->MDR ->IR

分析指令 OP(IR) ->CU

执行指令 Ad(IR) ->MAR -> M -> MDR -> ACC

3.计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长

CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关

2.运算速度

主频

核数，每个核支持的线程数

吉普森法 一种利用滤波器和模式匹配算法来对输入信号进行滤波和预测的方法，该方法可以在输入信号中识别和提取特定的模式或者特征。这种方法在处理各种信号时都有广泛的应用，比如处理音频信号、图像信号等。

CPI 执行一条指令所需时钟周期

MIPS 每秒执行百万条指令

FLOPS 每秒浮点运算次数

3.存储容量

存放二进制信息的总位数

主存容量：存储单元个数 x 存储字长或字节数

第二章-计算机的发展史

目录

第一章-计算机系统概论

1计算机系统简介

1.1.计算机软硬件概念

1.2.计算机系统的层次结构

2.计算机的基本组成

2.1.冯·诺依曼计算机的特点

2.2.计算机硬件框图

2.3.计算机的工作步骤

2.4.存储器的基本组成

2.5.运算器的基本组成

2.6.控制器的基本组成

3.计算机硬件的主要技术指标

第二章-计算机的发展史

1.计算机的产生和发展

2.微型计算机的出现和发展

3.软件技术的兴起和发展

4.计算机的应用

第三章-系统总线

1.总线的基本概念

2.总线的分类

3.总线特性及性能指标

4.总线结构

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1.计算机的产生和发展

1946年 美国ENIAC 十进制运算

18000 多个电子管

1500 多个继电器

150 千瓦

30 吨

1500 平方英尺

5000 次加法/秒

技术发展

电子技术的发展

计算机体系结构技术的发展

IBM System / 360

2.微型计算机的出现和发展

Inter公司的典型微处理器

Moore定律

Inter公司的缔造者之一Gordon Moore提出，微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番

3.软件技术的兴起和发展

各种语言

机器语言 面向机器

汇编语言 面向机器

高级语言 面向问题

FORTRAN 科学计算和工程计算

PASCAL 结构化程序设计

C++ 面向对象

Java 适应网络环境

系统软件

语言处理程序 汇编程序、编译程序、解释程序

操作系统 DOS、UNIX、Windows、Linux、Kylin Linux

软件发展的特点

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

软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档。

4.计算机的应用

1. 科学技术和数据处理

2. 工业控制和实时控制

3. 网络技术 电子商务、网络教育、敏捷制造

4. 虚拟现实

5. 办公自动化和管理信息系统

6. CAD/CAM/CIMS

7. 多媒体技术

8. 人工智能

芯片集成度的三方面限制

1. 芯片集成度受物理极限的制约

2. 按几何级数递增的制作成本

3. 芯片的功耗、散热、线延迟

光计算机

利用光子取代电子进行运算和存储

DNA生物计算机

通过控制DNA分子间的生化反应

量子计算机

利用原子所具有的量子特性

第三章-系统总线

1.总线的基本概念

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

总线上信息的传输

串行

串行（Serial）是指任务按照顺序一个一个执行，每个任务在执行完后才能执行下一个任务。这种方式的优点是简单且易于控制，但在处理大量数据或多个任务时可能会比较耗时。比如，如果有一个需要打印100份文件的任务，串行方式需要逐份打印，这会花费大量的时间。

并行

并行（Parallel）是指多个任务同时进行，即多个任务在同一时刻进行，彼此之间相互独立。这种方式的优点是可以在短时间内处理多个任务或大量数据，特别是在需要处理的任务数量非常大时，可以大大提高效率。比如，如果有一个需要将图片转换成PDF格式的任务，使用并行方式可以同时启动多个转换任务，每个任务处理不同的图片，这样可以大大提高转换速度。

1. 单总线结构框架图

1. 面向CPU的双总线结构框架图

1. 以存储器为中心的双总线结构框图

三总线结构的由宜兴市

2.总线的分类

1. 片内总线 芯片内部的总线

2. 系统总线 计算机各部件之间的信息传输线

   数据总线 双向与机器字长、存储字长有关

   地址总线 单向 与存储地址、I/O地址有关

   控制总线 有出有入 存储器读、存储器写、总线允许、中断确认

3. 通信总线 用于计算机系统之间或计算机与其他系统（如控制仪表盘、移动通信）之间的通信

4. 传输方式 串行通信总线 并行通信总线

3.总线特性及性能指标

总线物理实现

总线特性

1. 机械特性 尺寸、形状、管脚数及排列顺序

2. 电气特性 传输方向和有效的电平范围

3. 功能特性 每根传输线的功能：地址、数据、控制

4. 时间特性 信号的时序关系

总线的性能指标

1. 总线宽度 数据线的根数

2. 标准传输率 每秒传输的最大字节数（MBps）

3. 时钟同步/异步 同步和不同步

4. 总线复用 地址线与数据线复用

5. 信号线数 地址线、数据线和控制线的总和

6. 信号控制方式 突发、自动、仲裁、逻辑、计数

7. 其他指标 负载能力

总线标准

ISA、EISA、VESA（LV-BUS）、PCI、AGP、RS-232、USB

4.总线结构

单总线结构

多总线结果

双总线结构：

三总线结构

三总线结构的又一形式

四总线结构

总线结构举例

1.传统微型机总线结构

2.VL-BUS局部总线结构

3.PCI总线结构

4.多层PCI总线结构