计算机绪论

重点 #

计算机的发展方向；
计算机的特点；
冯·诺依曼结构计算机的硬件的组成及各部分之间的关系；
存储程序原理的基本内容；
计算机的主要性能指标：机器字长、主存容量、运算速度（MIPS，MFLOPS，主频，CPI）、响应时间、吞吐量。

一、计算机的发展 #

1946年2月，世界上第一台电子数字计算机(ENIAC: Electronic Numerical Integrator And Computer)在美国宾夕法尼亚大学研制成功，是科学史上一次划时代的创新。

1946年～1957年：电子管计算机。计算机所使用的逻辑元件为电子管，存储器采用延迟线或磁鼓，软件主要使用机器语言，后期使用汇编语言。体积大、功耗高、价格昂贵、可靠性差。

1958年～1964年：晶体管计算机。逻辑元件为晶体管，采用磁芯作主存储器、磁带或磁盘作为辅助存储器，出现Fortran，Cobol等高级语言，并出现了机器内部的管理程序。相对第一代体积小、功耗低、可靠性提高。

1965年～1974年：集成电路计算机。硬件上，采用中、小规模集成电路取代晶体管，用半导体存储器代替磁芯存储器。软件上，把管理程序发展成为操作系统，采用微程序控制技术，高级语言更加流行，如Basic, Pascal等。

1975至今：大规模及超大规模集成电路计算机。大规模集成电路及超大规模集成电路（LSI、VLSI）取代了中小规模集成电路。操作系统更加完善，在语音、图像处理、多媒体技术、网络以及人工智能等方面取得了很大发展。

二、计算机系统 #

一台完整的计算机应包括硬件部分和软件部分，分别称为硬件系统和软件系统。

计算机的硬件系统是指计算机中的电子线路和物理装置。包括主机部分、外设部分。计算机的软件是根据解决问题的方法、思想和过程编写的程序的有序集合，而程序是指令的有序集合。一台计算机中全部程序的集合，统称为这台计算机的软件系统。

系统软件：操作系统、驱动程序、数据库管理系统、编译软件等。应用软件：文字处理软件等通用功能的软件。

冯∙诺依曼结构计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU(Central Processing Unit)，而运算器、控制器和存储器合称为主机。这种结构的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。

输入设备：输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的形式。输入设备与主机之间通过接口连接。

输出设备：输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。输出设备与主机之间通过接口连接。常将输入设备与输出设备合称为I/O设备。

存储器：存储器是用来存放程序和数据的部件，地址是识别存储器中不同存储单元的唯一标志，按地址访问存储器，也是计算机能够实现“存储程序控制“的基础。

运算器：运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器也称为算术逻辑运算部件 ALU（Arithmetic and Logic Unit）。运算器的核心是加法器。

控制器：控制器是整个计算机的指挥中心，主要功能是按照预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。

总线：计算机多个功能部件间进行信息传送的公共通路，可以分时地接收与发送各部件的信息。

指令：是指挥和控制计算机执行某种操作的命令，是一串能被计算机直接识别并执行的二进制代码，能够存储到存储器并占用一定的存储空间。

指令系统：计算机具有各种不同的指令，一台计算机所能执行的全部指令称为该机的指令系统。

程序：一条条顺序排列的指令组成的有序集合。

存储程序原理：

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成（硬件构成）；
指令和数据都以二进制的形式顺序存放在存储器中（二进制原理）；
机器自动顺序取出每条指令进行分析，执行其规定的操作（程序控制原理）。存储程序原理是计算机工作的基本原理，是计算机区别于其他计算工具的唯一标志。冯•诺依曼型计算机设计思想的核心是：存储程序和程序控制。

计算机的多层次结构：计算机系统是一个复杂的系统，通常按功能分为五个层次。

第一级：微程序级。由硬件直接执行，是计算机系统的最底层，由机器硬件直接执行微指令，微程序为固件。
第二级：传统机器级。它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。
第三级：操作系统级。由操作系统程序实现。操作系统由机器指令和广义指令组成。广义指令是指操作系统定义和解释的软件指令，这一级也称为混合级。
第四级：汇编语言级。由程序人员提供一种符号形式的语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。
第五级：高级语言级。这是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持。

虚拟机：从第三级开始向上，不同的层次结构体现出不同的功能。在某一层次的观察者看来，只需要通过该层次的语言来了解和使用计算机，不必关心下层是如何工作的，这就是所谓的虚拟计算机的概念。虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个隔离环境中的完整计算机系统。虚拟计算机即是由软件实现的机器，不同层次的软件构成了不同层次的虚拟机。

三、计算机的性能指标 #

1、机器字长 #

机器字长：CPU一次最多能处理的二进制数据的位数，也是计算机内部进行存储、传送、运算等操作时，作为一个整体的一串二进制数码的位数。机器字长决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，直接影响硬件价格。

机器字长通常包括8位、16位、32位、64位这几种类型。

2、内存容量 #

内存容量指存储器所能存储二进制信息的多少，常用两种参数：

字节数：微机主存按字节(8位二进制数)编址，如：内存：8GB、16GB，闪存：512GB

单位	通常意义	实际表示
K(Kilo)	$10^3$	$2^{10}=1,024$
M(Mega)	$10^6$	$2^{20}=1,048,576$
G(Giga)	$10^9$	$2^{30}=1,073,741,824$
T(Tera)	$10^{12}$	$2^{40}=1,099,511,627,776$
P(Peta)	$10^{15}$	$2^{50}=1,125,899,906,842,624$

字数×字长：某些计算机的主存是按字编址，如：主存为 $64\times1024$ 个字单元，每个单元16位。

3、运算速度 #

CPU主频：CPU内核工作的主时钟频率f，是CPU内数字脉冲信号震荡的速度。如：20MHz，3.0GHz，3.5GHz

主频的倒数称为CPU时钟周期（T），T=1/f。

CPI（Cycle Per Instruction）：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

每秒执行指令的次数：每秒执行加法指令的次数。

MIPS(Million Instruction Per Second)：每秒执行的百万条指令数。 $MIPS = 指令数\div(执行时间\times10^6)$ ；

MFLOPS(Million Floating Point Operation Per Second)：每秒执行多少百万次浮点运算。 $MFLOPS = 浮点操作次数\div(执行时间\times10^6)$ ；

此外，还有GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS，其中 $E(Exa)=10^3P=10^{18}$ ， $Z(Zetta)=10^3E=10^6P=10^{21}$ 。

CPU时间（CPU Time）：CPU 时间是执行程序所花费的CPU的时间。

一个程序的CPU时间为： CPU时间= 时钟周期×时钟数 = 时钟周期×每条指令平均时钟数×指令条数 = 时钟周期×CPI×IC(Instruction Count) = (CPI×IC) / 时钟频率。

响应时间（Response Time）：系统响应时间是从发出请求到系统完成处理并给出响应所经历的时间。

响应时间=CPU时间+访存等待时间+I/O耗时+操作系统开销+外部总线延迟

响应时间是衡量机器性能最可靠的标准，它反映出了整个系统的时间开销。性能与响应时间成反比，即：性能= 1÷响应时间。要提高机器性能，就要缩短其响应时间，这就需要：提高 CPU性能；减少访存等待时间；减少I/O耗时；采用高效操作系统；提高外部传输总线的传输效率。

吞吐量（Throughput）：吞吐量是计算机在指定的一段时间内完成的工作总量。系统响应时间和吞吐量是衡量计算机系统性能的重要指标。一般来讲，响应时间越短，吞吐量越大。