【计算机组成1】计算机系统

一、计算机的发展

1、计算机硬件的发展

第一代计算机(1946— 1957 年 )——电子管时代。

第二代计算机(1958 — 1964年)——晶体管时代

第三代计算机(1965— 197 1 年) ——中小规模集成电路时代

第四代计算机(1972年至今)——超大规模集成电路时代

 计算机硬件的发展就是逻辑元件集成度越来越高,逻辑元件越来越小,速度越来越快,功耗越来越低。

2、计算机软件的发展

计算机软件技术的迅猛发展,对计算机系统的进步做出了巨大贡献。计算机语言的发展历程从面向机器的机器语言和汇编语言,逐步演进到面向问题的高级语言。而高级语言的发展,尤其是从科学计算和工程计算的FORTRAN语言,到结构化程序设计的PASCAL语言,再到面向对象的C++语言和适应网络环境的Java语言,极大地推动了软件产业的繁荣。与此同时,诸多系统软件的发展也极大地提升了计算机系统的性能,其中尤以操作系统的发展最为突出,如Windows、UNIX、Linux等。这些操作系统不仅丰富了计算机系统的功能,还为用户提供了更加便捷和高效的使用体验。

二、计算机的系统层次结构

硬件和软件共同组成计算机系统。硬件是物理设备,软件是运行在硬件上的程序和文档。计算机系统的性能取决于软件的效率,而软件需要硬件支持。某些功能可通过软件或硬件实现,称为软/硬件等价性。设计计算机系统时需分配软/硬件功能,若功能使用频繁且硬件实现成本合理,使用硬件可提高效率。这也就是“硬件第一原则”。

1、计算机硬件的功能部件

输入设备:输入设备的关键功能是将程序和数据转换为计算机能够识别和接受的信息格式,从而输入到计算机系统中。最常见也是最基本的输入设备是键盘,此外还有鼠标、扫描仪和摄像机等,它们各自拓展了信息输入的方式和范围。

输出设备:输出设备的功能在于将计算机处理的结果,以人们能够理解的形式或其他系统所需的信息格式呈现出来。其中,最为常见且基本的输出设备包括显示器和打印机。

输入/输出设备(简称I/O设备)作为计算机与外界沟通的桥梁,构成了计算机系统中不可或缺的关键组成部分。

③存储器:计算机的存储系统主要分为主存储器(内存储器或主存)和辅助存储器(外存储器或外存)。CPU能够直接访问的是主存,而外存则用于辅助主存存储更多的信息,外存中的信息必须先调入主存,才能被CPU访问。主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取,这种存取方式称为按地址存取方式。主存由存储体、存储器地址寄存器(MAR)华人存储器数据寄存器(MDR)三部分组成,处于三者之外的时序控制逻辑用于产生存储存储器操作所需的各种时序信号。MAR用于存放访问存储器的地址,通过地址译码器定位到具体的存储单元。随后,CPU通过控制器向存储器发送指令,明确此次操作是读取还是写入,而读取或写入的数据信息则由MDR提供。

CPU和主存储器之间通过一组总线连接,总线中有地址、控制和数据三种信号线,MAR中的地址信息会直接送到地址线上,用于指向读/写的主存的存储单元;控制线中有读/写信号线,指出数据是从CU写入主存还是从主存读取到CPU中,根据读操作还是写操作来控制将MDR中的数据送到数据线还是将数据线中的数据接收到MDR中。 ④运算器:

ACC:累加器,用于存放操作数或者运算结果。
MQ:乘商寄存器,在乘除运算时,用于存放操作数或者运算结果。
X:通用操作数寄存器,用于存放操作数。
ALU:算数逻辑单元,实现算数逻辑运算。
PSW:程序状态寄存器,也成为标志寄存器,用于存放ALU运算得到的一些标志信息或者处理机的状态。
 

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 ⑤控制器:
PC:程序计数器,存放下一条指令地址,有自动加一的功能
CU:控制单元用来分析指令,给出控制信息
IR:指令寄存器,存放当前执行的指令

由于控制器一直周而复始的的执行:取指令-->分析指令-->取数据,所以可以根据指令周期的不同阶段来区分是指令还是数据。

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