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计算机组成原理

一,计算机系统概述

(一)计算机开展历程

第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年美国宾夕法尼亚大学.ENIAC用了18000电子管,1500继电器,重30吨,占地170m2,耗电140kw,每秒计算5000次加法.冯?诺依曼(VanNeumann)首次提出存储程序概念,将数据和程序一起放在存储器,使编程更加方便.50年来,虽然对冯?诺依曼机进行很多改革,但结构变化不大,仍称冯?诺依曼机.

一般把计算机的开展分为五个阶段:

开展阶段

时间

硬件技术

速度/(次/秒)

第一代

1946-1957

电子管计算机时代

40000

第二代

1958-1964

晶体管计算机时代

200000

第三代

1965-1971

中小规模集成电路计算机时代

1000000

第四代

1972-1977

大规模集成电路计算机时代

10000000

第五代

1978-现在

超大规模集成电路计算机时代

100000000

ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)电子数字积分机和计算机

EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)电子离散变量计算机

组成原理是讲硬件结构的系统结构是讲结构设计的

摩尔定律微芯片上的集成管数目每3年翻两番.处理器的处理速度每18个月增长一倍.

每代芯片的本钱大约为前一代芯片本钱的两倍

新摩尔定律全球入网量每6个月翻一番.

数学家冯·诺依曼(vonNeumann)在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念.以此为根底的各类计算机通称为冯·诺依曼机.它有如下特点:

①计算机由运算器,控制器,存储器,输入和输出五局部组成

②指令和数据以同等的地位存放于存储器内,并可按地址寻访

③指令和数据均用二进制数表示

④指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置

⑤指令在存储器内按顺序存放

⑥机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

图中各部件的功能

·运算器用来完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内

·存储器用来存放数据和程序

·控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运行结果

·输入设备用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息

·输出设备将机器运算结果转为人熟悉的信息形式

运算器最少包括3个存放器(现代计算机内部往往设有通用存放器)和一个算术逻辑单元(ALUArithmeticLogicUnit).其中ACC(Accumulator)为累加器,MQ(Multiplier-QuotientRegister)为乘商存放器,X为操作数存放器,这3个存放器在完成不同运算时,说存放的操作数类别也各不相同.

计算机的主要硬件指标

(4.a)主机完成一条指令的过程——以取数指令为例

(4.b)主机完成一条指令的过程——以存数指令为例

(二)计算机系统层次结构

1.计算机硬件的根本组成

计算机硬件主要指计算机的实体局部,通常有运算器,控制器,存储器,输入和输出五局部.

CPU是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中.

2.计算机软件的分类

计算机软件按照面向对象的不同可分两类:

系统软件:用于管理整个计算机系统,合理分配系统资源,确保计算机正常高效地运行,这类软件面向系统.(包括:标准程序库,语言处理程序,OS,效劳程序,数据库管理系统,网络软件)

应用软件:是面向用户根据用户的特殊要求编制的应用程序,这类软件通常实现用户的某类要求.

3.计算机的工作过程

(1)计算机的工作过程就是执行指令的过程

指令由操作码和操作数组成:

操作码

地址码

操作码指明本指令完成的操作

地址码指明本指令的操作对象

(2)指令的存储指令按照存储器的地址顺序连续的存放在存储器中.

(3)指令的读取为了纪录程序的执行过程,需要一个记录读取指令地址的存放器,称为指令地址存放器,或者程序计数器.指令的读取就可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的指令,由于指令通常按照地址增加的顺序存放,故此,每次读取一条指令之后,程序计数器加一就为读取下一条指令做好准备.

(4)执行指令的过程在控制器的控制下,完成以下三个阶段任务:

1)取指令阶段按照程序计数器取出指令,程序计数器加一

2)指令译码阶段分析操作码,决定操作内容,并准备操作数

3)指令执行阶段执行操作码所指定内容

(三)计算机性能指标

1.吞吐量,响应时间

(1)吞吐量:单位时间内的数据输出数量.

(2)响应时间:从事件开始到事

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