计算机组成原理之计算机硬件发展和计算机系统的组成

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前言

一、计算机硬件发展
1、电子管时代
2、晶体管时代
3、中小规模集成电路时代
4、大规模、超大规模集成电路时代
5、微处理器发展
6、摩尔定律
7、半导体存储器的发展
8、计算机软件的发展
9、计算机的分类与发展方向
二、计算机系统的组成
1、早期冯·诺依曼机的结构
2、现代计算机的结构
3、认识各个硬件部件
1、主存储器的基本组成
2、运算器的基本组成
3、控制器的基本组成
4、计算机的工作流程
1、取数指令
2、乘法指令
3、加法指令
4、存数指令
5、停机指令
6、分析
5、计算机系统的多级层次结构
6、三种级别的语言

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一、计算机硬件发展

• 第一代 电子管
• 第二代 晶体管
• 第三代 中小规模集成电路
• 第四代 大规模、超大规模集成电路

1、电子管时代

• 第一台电子数字计算机:ENIAC
• 机器语言
• 占地面积约170平方米
• 耗电量150千瓦
• 包含了17,468根真空管
  

2、晶体管时代

• 第一台使用晶体管线路的计算机:TRADIC
• 面向过程的程序设计语言:FORTRAN
• 有了操作系统雏形
• 耗电量30瓦
• 包含了800只晶体管
  

3、中小规模集成电路时代

• 高级语言迅速发展
• 开始有了分时操作系统
  

4、大规模、超大规模集成电路时代

• 产生了微处理器
• 新的概念:并行、流水线、高速缓存、虚拟存储器…
  

5、微处理器发展

微型计算机的发展以微处理器技术为标志

• 机器字长:计算机一次整数运算所能处理的二进制位数
• 操作系统位数:其所依赖的指令集的位数

6、摩尔定律

• 揭示了信息技术进步的速度
• 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍
  

7、半导体存储器的发展

• 1970年，仙童公司生产出第一个较大容量的半导体存储器
• 半导体存储器单芯片容量:1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB…

8、计算机软件的发展

• 计算机语言:机器语言，汇编语言，高级语言
• 操作系统

9、计算机的分类与发展方向

• 单指令流&单数据流(SISD):冯·诺伊曼体系结构
• 单指令流&多数据流(SIMD):阵列处理器，向量处理器
• 多指令流&单数据流(MISD):实际上是不存在的
• 多指令流&多数据流(MIMD):多处理器，多计算机

二、计算机系统的组成

1、早期冯·诺依曼机的结构

存储程序的概念：将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按照其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的

冯诺依曼计算机的特点：

• 计算机由五大部件组成
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可以按地址寻访
• 指令和数据用二进制表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 存储程序
• 以运算器为中心

输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成

2、现代计算机的结构

以存储器为核心
CPU=运算器＋控制器

重点：

3、认识各个硬件部件

1、主存储器的基本组成

• MAR :存储地址寄存器
• MDR :存储数据寄存器
• 数据在存储体内按照地址存储
  
• 存储单元:每个存储单元存放一串二进制代码
• 存储字(word):存储单元中二进制代码的组合
• 存储字长:存储单元中二进制代码的位数
• 存储元:即存储二进制的电子元件（一般指电容），每个存储单元可存1bit

MAR位数反映存储单元的个数
MDR位数=存储字长

字(word)的长度是根据计算机的设计来确定(可能为8， 16 , 32 ， 64 bit)

2、运算器的基本组成

运算器:用于实现算术运算（如:加减乘除），逻辑运算（如:与或非）

• ACC:累加器，用于存放操作数，或运算结果。
• MQ:乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
• X:通用的操作数寄存器，用于存放操作数
• ALU:算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

3、控制器的基本组成

• CU（Control Unit）:控制单元，分析指令，给出控制信号
• IR（lnstruction Register）:指令寄存器，存放当前执行的指令
• PC（Program Counter）:程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能
  

4、计算机的工作流程

1、取数指令

2、乘法指令

3、加法指令

4、存数指令

5、停机指令

6、分析

重点：

5、计算机系统的多级层次结构

汇编语言指令和机器语言指令一一对应
汇编语言只是为了便于人类理解，本质上和机器语言差不多

6、三种级别的语言

• 高级语言:C/C++、Java
• 汇编语言:助记符
• 机器语言:二进制代码

编译程序:将高级语言编写的源程序全部语句一次翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次)

解释程序:将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接再翻译下一句（每次执行都要翻译

注:编译、汇编、解释程序，可统称“翻译程序”
C/C++就是直接编译程序，所以执行效率比较高

重点：

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总结

以上就是计算机组成原理之计算机硬件发展和计算机系统的组成的相关知识点，希望对你有所帮助。
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