计算机组成知识复习--绪论

第一章 绪论

计算机的发展经历：（0代）机械计算机（1代）电子管计算机，如ENIAC、IBM701（电子管、电磁继电器、机器语言编程）（2代）晶体管计算机（晶体管、磁芯存储器、监控程序、高级语言）（3代）集成电路计算机（中小规模集成电路计算机、多层印制电路板、磁芯存储器、分时操作系统）(4代）超大规模集成电路计算机（超大规模集成电路构成、半导体存储器）（5代）高性能智能计算机（超大规模、超高速集成电路构成）

摩尔定律：预测集成电路芯片内集成的晶体管数量差不多每年（或18个月）可增加一倍。从根本上讲，摩尔定律是一种自我激励的机制。

计算机的基本组成：早期的冯-诺依曼计算机由两大部分——硬件系统和软件系统组成。下图为早期的计算机硬件的组成:



冯-诺依曼计算机的特点:基本思想就是将计算机要处理的问题用指令编成程序,并将程序存在存储器中;而后,在控制器的控制下,将指令从存储器中逐条取出来执行;通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。（1）总是一条指令接一条指令地执行，执行指令会产生控制流，在控制流的驱动下完成指令的功能，在此过程中，数据流则是被动地被调用（2）进入计算机的指令、数据及其他信息，均是用二进制编码表示。



上图为早期微型计算机结构框图。CPU（中央处理器）是将运算器（算术逻辑部件，ALU）和控制器（还有一些寄存器）集成在一块集成电路芯片中。在执行指令的过程中，它可以产生地址信号、数据信号和一系列控制信号，从而形成系统总线信号。



上图是常见的PC主板结构图。主板芯片组有1~3块芯片，经常采用两块芯片。分称北桥芯片和南桥芯片。北桥芯片主要决定主板的规模、对硬件的支持及系统的性能，南桥主要决定主板的接口。将来，北桥、南桥以至于内存条会集成在一块集成芯片上，构成所谓的片上系统（System on Chip，SoC），也有人称为系统芯片。

软件系统分为系统软件和应用软件，其中系统软件指的是为保障计算机良好运行所存在的程序集合，应用软件指用户在各自应用中，为解决自己的有关问题而编写的程序。同时系统软件还可以细分为操作系统、语言处理程序、通用程序和各种服务支持软件，操作系统的功能是管理处理器、管理存储、管理文件、管理设备及管理作业，语言处理程序功能是把某种语言编写的程序转换为目标程序，通用程序的是操作系统下提供给用户使用的一些通用程序。



上图是计算机系统的层次结构，不同的处理器（非系列机）的指令系统不一样。而计算机组成原理主要讲的已经硬件物理机。

计算机系统结构：是由系统程序呐所看到的计算机系统的属性，即概念性结构及功能特性。今天主要包括：
（1）数据的表示形式（2）寻址方式（3）内部寄存器组（4）指令集（最重要的）（5）中断系统（6）处理器工作状态及其切换（7）存储系统（8）输入输出结构（9）信息保护及特权（10）高性能设计等。这些属性主要是硬件所实现的功能。

计算机组成：是计算机系统的逻辑实现。主要包括：
（1）数据通路的宽度（2）专用部件的设置（3）各功能部件的并行程度（4）各种操作的相容性与互斥性（5）控制机构的组成方式（6）缓冲与排队技术的应用（7）可靠性技术等。

系统结构决定了计算机的总体属性，计算机组成是体现这些属性的逻辑设计，而计算机实现则是用具体的器件来实现逻辑功能。

计算机分类，按用途分为嵌入式计算机和通用计算机，嵌入式计算机是以应用为目标，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，对功能、实时性、可靠性、安全性、体积、重量、成本、功耗、环境、安装方式等有严格要求，通用计算可进一步分为个人计算机和服务器，服务器进一步可分为CS模式（客户机-服务器）和BS模式（浏览器-服务器）。

Flynn分类法是按照计算机在执行程序的过程中信息流的特征进行分类的，SISD（单指令流单数据流）、SIMD（单指令流多数据流）、MISD（多指令流单数据流）、MIMD（多指令流多数据流）。

Amdahl定律：计算机系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

加速比 = 改进后的系统性能/改进前的系统性能=改进前的系统总执行时间/改进后的系统的总执行时间

可改进的部 分在原系统总执行时间中所占的比例，称为可改进比例，用fe表示。

假设改进前的系统总执行时间为To，改进后的系统总执行时间为Tn：

Tn = To(1-fe+fe/re)

fe = Tc/To , re = Tc/Tn, fe/re = Tn/To

所以加速比=1/(1-fe+fe/re)

对PC的测试包括：（1）CPU基本性能测试（2）基准测试软件测试（3）实际应用软件测试