前言本章作为计算机组成原理开篇主要介绍计算机基础概念。1.1讲解计算机分类标准1.2梳理计算机发展史分为五代更迭、半导体存储器、微处理器、国产处理器四条主线1.3介绍冯·诺依曼体系五大硬件部件分别是运算器、存储器、控制器、适配器与I/O设备是全书硬件部分的基础。1.1 计算机的分类教材从三个维度对电子计算机进行分类1、 按处理信息的形式划分1数字计算机处理离散的二进制数字量运算精度高、逻辑能力强通用性好现代绝大多数计算机属于数字计算机。2模拟计算机处理连续变化的模拟量适合微分方程求解但通用性差、精度低目前应用很少。2. 按用途划分1通用计算机能够加载不同程序完成多种任务适用范围广台式机、笔记本、服务器都属于通用计算机。2专用计算机针对特定业务定制设计软硬件固定实时性强比如航空机载控制计算机、工业工控机。3. 按规模与性能划分通用计算机又可以划分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机。巨型机算力最强多用于气象预报、航天仿真等大规模科学计算微型机即个人PC普及率最高。1.2 计算机的发展简史教材将计算机发展分为四条脉络计算机五代变化、半导体存储器发展、微处理器发展、国产处理器技术发展历程。1.2.1 计算机的五代变化代际划分核心依据是电子元器件1第一代1946—1957电子管计算机。体积巨大、功耗高、可靠性差采用机器语言编程主要用于科学计算。2第二代1958—1964晶体管计算机。相比电子管体积缩小功耗降低可靠性提升汇编语言开始投入使用。3第三代1965—1971中小规模集成电路计算机。将多个晶体管集成在硅片上运算速度进一步提升操作系统逐步成型。4第四代1972年至今大规模、超大规模集成电路计算机。集成度大幅提升微处理器诞生微型计算机快速普及高级语言广泛应用。5第五代新一代智能计算机面向人工智能、并行推理等方向研发重在实现智能化信息处理。1.2.2 半导体存储器的发展早期计算机使用磁芯存储器体积大、读写速度有限。半导体存储器问世之后逐步替代磁芯存储器。随着工艺迭代SRAM、DRAM不断更新存储容量持续增大单位成本不断下降后续又发展出闪存等新型存储芯片是现代计算机高速存储体系的基础。1.2.3 微处理器的发展微处理器就是将运算器与控制器集成在单块集成电路芯片上也就是CPU。微处理器从早期4位、8位依次迭代到16位、32位发展到如今64位多核架构。发展特点晶体管集成度不断提高、主频提升、流水线技术、高速缓存、多核架构逐步完善摩尔定律很好地概括集成电路集成度增长规律。1.2.4 国产处理器技术的发展历程国产处理器起步相对较晚经过多年技术攻关逐步实现自主研发。从早期架构探索到通用CPU、嵌入式处理器产品落地应用场景覆盖服务器、桌面终端、工控设备等领域推动国内计算机软硬件自主生态建设。1.3 计算机的硬件冯·诺依曼体系计算机硬件由五大部件组成运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。现代计算机将运算器和控制器集成在一起构成中央处理器CPU。1.3.1 硬件组成要素冯·诺依曼两大核心思想①数据与指令均采用二进制表示②程序和数据预先存放在存储器中。五大硬件分工1运算器完成算术运算、逻辑运算2存储器保存程序、原始数据以及运算中间结果3控制器取指令、译码发出控制信号调度各个硬件协同工作4输入设备将外部信息送入主机5输出设备把计算机处理结果输出1.3.2 运算器运算器又称算术逻辑单元ALU核心功能是算术运算加减乘除与逻辑运算与、或、非、异或还支持移位、数据比较操作。运算器配套有寄存器组用来临时存放运算过程的数据运算器本身不长期保存数据。1.3.3 存储器存储器用来存放程序与数据分为主存储器内存和辅助存储器外存。1主存CPU可直接访问读写速度快断电之后数据丢失2辅存如硬盘CPU不能直接访问数据需要调入主存才能处理容量大断电数据可以永久保存。注1、存储器按存储单元编址每个存储单元都拥有唯一编号地址依靠地址完成读写操作。2、存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量通常用单位KB、MB、GB等来表示如64KB、128MB。存储量越大表示计算机记忆储存的信息越多。1.3.4 控制器1、定义控制器相当于计算机的指挥中心负责从内存取出指令、解析指令调度各个部件协同完成运算。运算器只能做基础算术与逻辑运算复杂计算需要拆成多条指令有序的指令集合就是程序。2、计算程序以式子 yaxb-c 的计算为例需要拆分为取数、乘、加、减、存数等多条指令全部转换成二进制后按顺序存入存储器。计算机自动依次执行指令这就是冯·诺依曼存储程序控制也是计算机能够自动运行的核心。3、指令的形式一条指令主要由操作码和地址码两部分构成1操作码用来标识是什么操作比如加减乘除、停机2地址码标记数据存放或者结果保存的存储单元位置。指令与数据都是二进制编码存放在内存靠运行阶段区分全部指令的集合叫做指令系统是评价计算机性能的重要指标。4、 控制器的基本任务就是循环往复地取指令、执行指令分为取指周期和执行周期。通常把取指令的一段时间称为取指周期而把执行指令的一段时间称为执行周期。每取出一条指令程序计数器PC自动加1准备读取下一条指令。运算器和控制器集成在同一芯片合称为CPU。5、指令流和数据流1由于计算机仅使用0和1两个二进制数字所以使用“位bit”作为数字计算机的最小信息单位。2由于计算机使用的信息既有指令又有数据所以计算机既可以代表指令也可以代表数据。如果某字代表要处理的数据则称为数据字如果某字为一条指令则称为指令字。3内存里的二进制代码单看形式分不清是指令还是数据控制器依靠工作周期区分二者取指周期读出送往控制器的是指令流执行周期读出送到运算器的是数据流。有些指令运行时要两次访问存储器一次取指令一次读取运算数据。1.3.5 适配器与输入/输出设备1输入输出设备简称I/O设备是计算机和外部世界交互的通道。2 键盘、鼠标属于输入设备显示器、打印机属于输出设备。3适配器又叫I/O接口用来解决主机和外设之间速度不一致、信号类型不匹配的问题实现主机与外设之间的数据缓冲、信号转换与传输。4现代计算机系统中还必须有总线bus。系统总线是构成计算机系统的骨架是多个系统部件之间进行数据传送的公共通道。本章小结1.11.31、计算机可以按照信息处理形式、用途、性能规模三种标准分类2、计算机五代划分标准为电子器件存储器、微处理器沿着高集成度方向持续迭代3、冯·诺依曼五大硬件运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备CPU 运算器 控制器4、运算器负责数据运算存储器存储程序数据控制器控制整机指令执行I/O接口适配器实现主机与外设通信。
