目录

一、计算机的发展

二、计算机的硬件系统

三、硬件的工作原理

四、计算机系统的层次结构

五、计算机的性能指标

一、计算机的发展

第一代计算机：电子管计算机

第一台电子计算机：ENIAC（1946）

设计目的：计算导弹轨道

研制组顾问：冯诺依曼

特点：体积大、耗电量高、运算慢

第二代计算机：晶体管计算机

研制组：贝尔实验室

特点：相比电子管计算机，体积、功耗降低

第三代计算机：中小规模集成电路计算机

特点：将元件集成在基片上

应用领域：科学计算等专业领域，尚未步入个人生活

第四代计算机：大规模、超大规模集成电路计算机

特点：出现“微处理器”（CPU）、微型计算机、个人计算机（PC）萌芽

微处理器：微型计算机的发展较大程度上取决于微处理器的发展，而微处理器的发展又依赖于芯片的集成度和处理器主频的提高。

硬件的发展：

• 1947年，贝尔实验室，发明了“晶体管”，晶体管之父是威廉·肖克利；
• 1955年，肖克利在硅谷创建肖克利实验室股份有限公司；
• 1957年，从肖克利公司离职的“八叛徒”创建仙童半导体公司；
• 1959年，仙童半导体公司发明了“集成电路”；
• 1968年，仙童部分人离开仙童，创立了 Intel；
• 1969年，又有仙童人离开仙童，创立了 AMD；

摩尔定律：揭示了信息进步的速度，集成电路可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，集成电路的整体性能也将提升一倍。

二、计算机的硬件系统

冯诺依曼的“存储程序”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，然后按其在主存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其它指令，直至程序执行结束。

第一台采用冯诺依曼体系结构的计算机：EDVAC

冯诺依曼体系结构：

• 采用二进制形式表示数据和指令，指令由操作码和地址码组成；
• 采用存储程序，即把编写好的程序和原始数据预先放入计算机主存储器中；
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻指令；
• 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行；
• 硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；
• 计算机以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。

现代计算机体系结构：

现代计算机：以存储器为中心

CPU = 运算器 + 控制器

硬件系统五大部件：

• 存储器：存放指令和数据的部件；
• 运算器：在控制器的控制下，完成算术运算和逻辑运算；
• 控制器：对当前指令所需完成的操作进行译码分析，产生各个部件所需要的控制信号，通过向计算机的各个部件发送控制信号，使整个计算机自动、协调的工作；
• 输入设备：向计算机输入信息的设备；
• 输出设备：将计算机的处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。

三、硬件的工作原理

四、计算机系统的层次结构

第一层：微程序设计级。

第二层：机器指令系统级。

第三层：操作系统级，即虚拟机。

第四层：语言处理程序及其他系统软件级。

第五层：面向用户的应用程序级。

计算机体系结构：如何设计硬件与软件之间的接口

计算机组成原理：如何用硬件实现所定义的接口

五、计算机的性能指标

存储器的性能指标：

• 机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数，它决定了寄存器、运算部件、数据总线的位数。
• 存储容量：存储容量包括主存储器容量和辅助存储器容量，主存指CPU可以通过地址线直接访问的存储器，如RAM、ROM等；辅存指主存以外的存储器，如磁盘、U盘等。

CPU的性能指标：

• 主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率，主频 = 1 / 时钟周期
• CPI：Cycle Per Instruction，执行一条指令所需的时钟周期数
• IPS：Instruction Per Second，每秒执行多少条指令，IPS = 主频 / CPI
• FLOPS：Float-point Operations Per Second，每秒执行多少次浮点运算
• 执行一条指令的耗时 = CPI * 时钟周期
• CPU执行时间 = 时钟周期数 / 主频 = (指令条数 * CPI) / 主频

系统整体的性能指标：

• 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送数据信息的位数
• 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
• 响应时间：用户向计算机发送请求，到系统对该请求做出响应并获得执行结果的等待时间