架构师专业基础:计算机组成原理

计算机系统概述

机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。

“硬件”是指计算机的实体部分,由各种元器件等实物构成,比如主机,外部设备。

“软件”由事先编制的具有一定特殊功能的程序组成,分为“系统软件”和“应用软件”。

“系统软件”又称为系统程序,主要用来管理整个计算机系统,包括标准程序库、语言处理程序(如将汇编语言翻译成机器语言的汇编程序,或将高级语言翻译成机器语言的编译程序)、操作系统(如批处理系统、分时系统、实时系统)、服务程序(如诊断程序、调试程序、连接程序等)、数据库管理系统、网络软件等。

“应用软件”又称为应用程序,它是用户根据使用需要编制的各种程序,比如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序等。

“计算机体系结构”是指那些能够被程序所见到的计算机系统的属性,即概念性的结构与功能特性,包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等。

“计算机组成”是指如何实现计算机体系结构所体现的属性,包含了很多对程序员来说透明的硬件细节,比如指令的实现,即取指令、分析指令、取操作数、运算、结果输出等。

计算机发展历史

第一代电子管计算机:ENIAC计算机

第二代晶体管计算机:IBM 700/7000系列

第三代集成电路计算机:IBM System/360和DEC的PDP-8

微型计算机

ABC计算机

阿塔纳索夫-贝瑞计算机(Atanasoff–Berry Computer,通常简称ABC计算机)是世界上第一台电子计算机。由美国科学家阿塔纳索夫在1937年开始设计,不可编程,仅仅设计用于求解线性方程组,并在1942年成功进行了测试。是公认的计算机先驱,为今天大型机和小型机的发展奠定了坚实的基础。

ENIAC计算机

ENIAC,全称为Electronic Numerical Integrator And Computer,即电子数字积分计算机。ENIAC是第二台电子计算机和第一台通用计算机。

ENIAC诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学,由科学家约翰·冯·诺依曼和“莫尔小组”的工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦研究完成。

ENIAC长30.48米,宽6米,高2.4米,占地面积约170平方米,30个操作台,重达30英吨,耗电量150千瓦,造价48万美元。它包含了17,468根真空管(电子管)7,200根晶体二极管,1,500 个中转,70,000个电阻器,10,000个电容器,1500个继电器,6000多个开关,计算速度是每秒5000次加法或400次乘法,是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。

冯·诺依曼机

1945年,数学家冯·诺依曼出了“存储程序”的概念,以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。

==注:计算机和数学密切相关,早期很多计算机科学家都是数学家出身。==

冯·诺依曼机体系结构图如下:


冯诺依曼机体系结构.png

运算器:完成算术运算和逻辑运算,并将运算的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、运行以及处理运算结果;

输入设备:用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式,常见的有键盘、鼠标等;

输出设备:可将计算运算结果转换为人们熟悉的信息形式,比如打印机输出、显示器输出等。

计算机的五大部件(又称为五大子系统)在控制器的统一指挥下,有条不紊地自动工作。

现代计算机

现代计算机体系结构图.png

计算机硬件主要技术指标

机器字长

是指CPU一次能处理数据的位数,通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长,数的表示范围越大,精度也就越高。

存储容量

存储容量包含主存容量和辅存容量。

存储容量 = 存储单元个数 * 存储字长

运算速度

计算机的运算速度和很多因素相关,比如机器的主频、运算操作种类、主存速度等。

计算机的运算速度通常采用单位时间内执行指令的平均数来衡量,并用MIPS(Million Instruction Per Seconds,百万条指令每秒)作为计量单位。

参考资料

计算机组成原理(第2版)唐朔飞

《计算机组成原理》核心内容
https://blog.csdn.net/cbwem/column/info/28459

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