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计算机系统


计算机组成指的是系统结构的逻辑实现,包括机器机内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等。主要分为五个部分:控制器,运算器,存储器,输入设备,输出设备。

计算机的由来

第一台真正意义上的电子数字计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Compute)是在美国宾夕法尼亚大学诞生的,标志着信息时代的到来。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·诺依曼计算机(von Neumann machine),使用冯·诺伊曼体系结构的电子数字计算机。他的精髓贡献是二进制思想程序内存思想

冯诺依曼:现代电子计算机与博弈论的重要创始人,被后人称为现代计算机之父、博弈论之父。

图灵:英国数学家、逻辑学家,被称为计算机科学与人工智能之父,以他名字命名的图灵奖被喻为计算机界的诺贝尔奖。

冯诺伊曼机的特点

  • 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。
  • 数据和指令均以二进制代码表示,二进制的采用极大简化了逻辑电路。
  • 引进存储程序的概念,采用存储程序的方式,程序和数据都放在同一个存储器中,指令和数据一样可以送到运算器中进行运算,即由指令组成的程序是可修改的。
  • 指令由操作码和地址码组成。
  • 指令在存储器中顺序存放,由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址,指令地址一般按顺序递增,但可按运算结果或外部条件而改变。

冯诺依曼机结构

计算机的发展

根据组成计算机的元器件分四代

  1. 电子管计算机时代(1946第一台计算机到50年代后期)
  2. 晶体管计算机时代(50年代中期到60年代后期)
  3. 集成电路计算机时代(60年代中期到70年代前期)
  4. 大规模和超大规模集成电路时代(70年代初)

根据能处理的对象发展

按所能处理的对象出现的先后顺序为:数值——字符——图像、图形、声音——动画、音频、视频——感觉、知识。

计算机特点

  • 计算速度快
  • 自动化程度高(与日常使用袖珍计算器的本质区别)
  • 具有高度的灵活性与准确性
  • 具有极强的“记忆能力”
  • 具有较强的逻辑判断能力
  • 具有高性能的实时通讯能力
  • 具有直观灵活的表项能力

计算机的应用

  • 科学计算
  • 数据及事务处理
  • 自动控制
  • 计算机辅助设计与辅助制造
  • 计算机辅助教学
  • 逻辑关系加工
  • 人工智能

计算机系统的硬件组成

外观上看,计算机由主机和各种外设组成(外部设备又称输出设备),外部信息经输入设备输入主机,由主机分析、加工、处理、再经输出设备输出。最重要的核心部件都安装再主机箱内,其中有主板及安装再主板上的CPU(CPU组成不包含存储器)、内存、插在主板扩展槽上的显卡、声卡、网卡等可选件,另外还有电源、磁盘驱动、关盘驱动器等。

计算机系统硬件组成

运算器

不同机器的运算结构是不同的,其结构与指令系统、数据类型、运算性能等相关联。

基本功能

运算器用来完成算数运算(加减乘除等)和逻辑运算(与或非移位等),并将运算结果暂存再运算器内。

基本结构

包含算术逻辑运算单元ALU(Arithmetic Logical Unit)、寄存器、联通电路。

存储器

基本功能

存储原程序、原数据、运算中间结果;并满足计算机再执行过程中随机访问的执行程序和数据。

工作模式

读/写。

工作原理

按地址访问,读/写数据。

内存储器

又称主存储器(简称内存或主存),存取速度块,容量小,价格贵,内存的常见类型有只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)。

外存储器

又称辅助存储器,存储速度慢、容量大,价格便宜,常见的外存储器有硬盘、软盘、U盘等。

控制器

主机能指令进行译码的部件是控制器

基本功能

产生指令执行过程所需要的控制信号,控制相关功能部件执行相应操作。

控制信号的形成

电平信号,脉冲信号

产生控制信号的依据

指令、状态、时许

控制信号的产生方式

微程序、硬布线

计算机系统的软件组成

软件是指导计算机硬件如何工作的各种程序,以及供程序的数据和相关的文档资料。计算机用户正是通过使用各种软件来操作计算机硬件,从而完成各种功能的。

系统软件

系统软件是指直接控制和协调计算机各部件的最基本的软件,它的目的是提供一个基本的计算机运行环境,系统软件的核心称为操作系统。常见的微机操作系统有:DOS、Windows、Unix、Linux。系统软件还包括编辑程序、诊断程序、调试程序、各种语言处理程序、数据库管理系统程序它们的目的是为程序员开发新程序提供方便。

应用软件

应用软件是为了使用各种专用目的而开发的软件,如图形图像处理软件

计算机辅助教学软件、游戏软件、文字处理软件等,它们再系统软件的支持下工作。

计算机软硬件关系

计算机系统组成原理 一个计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件和软件是相辅相成,缺一不可的。硬件是基础,是大脑,而软件是灵魂,是大脑中的知识。

计算机软硬件关系

计算机系统的主要性能指标

字长

字长是计算机能同时处理的二进制的最大位数,其单位是二进制的位(bit),字长直接关系到计算机的计算精度、速度和功能强度。

存储容量

主要包括内存储器容量、外存储器容量和各种功能缓冲三区。

吞吐量

计算机系统的吞吐量是指单位时间内流入、处理和流出系统的信息的数量。

响应时间

指计算机完成一个任务所花费的全部时间,包括存储器访问时间、磁盘访问时间和I/O访问时间等。

CPU时钟周期与主频

计算机操作的最小时钟单位,通常把定时震荡两相邻脉冲上升沿之间的时间间隔称为一个CPU时钟周期。CPU时钟周期的倒数就称为主频。

CPI

CPI(Clock cycle Per Instruction)表示执行每条计算机指令所需的平均时钟周期。

CPU执行时间

CPU执行时间是指执行程序时实际占用CPU的时间,不包括I/O访问时间和等待时间等。

MIPS

MIPS(Million Instructions Per Second)是CPU每秒可以处理百万条机器指令的数量。

MFLOPS

MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)是CPU每秒钟执行百万次浮点操作的次数。


文章作者: HaiLin Zhou
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