一.计算机的发展

存储器历史

芯片历史

1.发展历史

1.1.机器时代(计算机时代:0)

• 1622 —— Wilhelm Schickard发明第一台计算钟
• 1642 —— 帕斯卡(Blasie Pascal)发明了机器加分器
• 1670 —— 莱布尼兹(Gottfried Leibniz)改进发明了步进式计算器
• 1822 —— 巴贝奇(Charkes Babbage)发明了差分机
• 1833 —— 巴贝奇(Charkes Babbage)发明了分析机
• 1888 —— 霍勒瑞斯(Herman Hollerith)发明了机电式打卡系统 制表机
• 1938 —— 朱斯(Konrad Zuse) 发明了二进制计算机 Z-1
• 1944 —— 艾肯(Howard Aikean) 发明通用型机电计算器 MARK-1

1.2.电子管计算器(计算机时代:1)

1946 —— John Mauchly+J.Presper Eckert 发明了电子数字积分器和计算器ENIAC
电子管时代计算机特点:

• 基本元器件使用了体积大,功耗大,可靠性低的电子管
  

• 开始存储程序,存储使用容量很小的汞延迟线或静电存储管
  

• 使用简单输入输出设备:纸孔卡带
  

• 程序语言为机器语言

1.3.晶体管计算器(计算机时代:2)

1948 —— John Bardeen+Walter Brattain+William Shockley发明了晶体管,推动了计算机的进步

晶体管时代计算机特点

• 基本元器件使用了可靠性高,体积小的晶体管
• 采用了磁芯存储器做为主存,磁盘,磁带做为辅存
• 提出操作系统的功能,出现了汇编语言

1.4.集成电路计算机(计算机时代:3)

1952 G.W.A.Dummer提出了集成电路理论
1958 Jack Kilby+Robert S.Noyce发明了集成电路

集成电路时代计算机特点

• 基本元器件集成电路
• 主存:半导体存储器
• 操作系统进一步明确和完善,高级语言进一步发展
• 计算机研制开始系列化、通用化、标准化

1.5.大规模和超大规模计算机(计算机时代:4)

1971 —— Intel 制造出第一个微处理器芯片Intel 4004
1978 —— 8位处理器 Intel 8008
1978 —— 16位处理器Intel 8086
1981 —— 微机IBM PC

大规模计算机特点

• 计算机体系结构大发展: 虚拟存储技术,流水线技术,高速缓冲存储器技术,并行处理技术
• 内存的容量和速度大幅度提高
• 计算机外围设备的种类越来越丰富
• 系统软件功能越来越强
• 应用软件越来越丰富

1.6.系列机

在产生了多种计算机生产厂商后,为保证用户体验所共有的特性
向前兼容性： 同一公式不同时期生产的计算机，系统结构（命令系统，数据格式，控制方式，数字编码，输入输出） 相同
投资保护： 在底端机编写的程序可以不经更改就能在高端机上运行

二.计算机分类与性能指标

1.运算速度划分

2.综合划分

3.计算机性能评测

• TPC评测体系: 联机事务处理工作量的一个衡量标准

  • 测量方法: 每分钟的命令处理数量

• SPEC评测体系: 全面衡量Web应用中java企业应用服务器性能的基础测试

4.计算机性能指标

• 吞吐量: 在期间内,计算机系统完成的工作负载
• 相应时间: 输入作业到输出作业的间隔时间
• 主频: CPU内数字脉冲信号振荡速度
• cpu时钟周期: 一个脉冲即逻辑零状态与逻辑一状态来回切换一次用的时间
• CPI: 执行一条指令所需的时钟周期数
• CPU执行时间: CPU全速完成某进程的时间

$$CPU执行时间=\frac{CPU时钟周期数}{时钟频率}$$

• MIPS: 每秒执行多少百万条指令

$$MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\ast 10^{-6}}$$

• MFLOPS: 每秒执行多少百万次浮点运算

$$MFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间\ast 10^{-6}}$$

$$GFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间\ast 10^{-9}}$$

$$TFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间\ast 10^{-12}}$$

$$PFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间\ast 10^{-15}}$$

三.计算机的基本组成

1.计算机硬件结构

仅从外观看: 显示器,机箱,键盘,鼠标
主机构成看: 电源,主板,硬盘,光驱,显卡,网卡

2.计算机功能结构

组成: 在冯.诺依曼体系中计算机由运算器,控制器,输入设备，输出设备组成。
存储程序: 将要执行的数据和程序事先存放在存储器中
2进制使用: 指令和处理的数据都有2进制表达
顺序执行程序: 要执行的程序先保存主存储器中，在执行时按照顺序，一条条的读取并执行程序。

2.1.运算器

运算器: 计算机内用于完成运算的部件
ALU: 运算器核心部件,完成各种算术运算和逻辑运算

2.2.控制器

控制器: 计算机内用程序控制硬件的部件

程序执行流程:

• 程序计数器(PC): 存放下一条执行指令的地址存储器

• 指令寄存器(IR): 存放PC从存储器中取出的指令代码,其一般为一个字节指令长,由两个字段=指令操作码(OP)字段+操作数或转移地址Addr字段组成。

  • OP:指出指令类型(加减乘除)
  • Addr:顺序指令中指出操作数类型和存放地址,转移/转子指令中指出转子地址

• 指令译码器(ID): 对OP字段进行译码,将结果输出给控制器信号产生部件,通知其当前执行改指令。

• 地址生成器(AG): 生产操作数在存储器中的单元地址

• 地址寄存器(AR):

  • 存放地址生成器生产的地址
  • 存放当前转移/转子指令产生要转向的指令地址

• 时令部件(CP): 产生时序,指导控制信号的产生顺序

• 控制信息产生部件: 为完成指令译码后的操作而生成的硬件控制信号

2.3.存储器

存储器: 计算机内用于存储程序和数据的部件

• 物理意义: 存储器由具有一定记忆功能的物理器件构成
• 逻辑意义: 由一个个存储单元构成

2.4.输入输出接口与设备

输入输出接口/设备: 计算机外围设备,完成人机交互

四.计算机语言

功能: 提供人与计算机交互的功能