起步：认识计算机

计算机中通过电信号来传递数据：计算机识别二进制数据的原理

熟悉硬件：

• 主板上的印刷电路如何传输数据：可以看到有多个电路，这个就是各个部件之间传输电路的通道。

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一、计算机发展历程

1.1、什么是计算机系统

软件的分类：

计组中主要去探究硬件部分！

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1.2、计算机硬件的发展

1.2.1、总览四代发展

主要是利用电路来进行运算，下面是各个时代发展阶段：

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1.2.2、四代发展详细介绍

第一代：电子管时代

在这一代时，程序员都是使用机器语言来进行编程

第二代：晶体管时代，替代了电子管

体积减小、功耗降低，计算速度也达到了质的飞跃，此时出现面向过程的语言：FORTRAN，有了操作系统雏形。

第三代：中小规模集成电路时代，集成电路

计算机变得越来越小，功耗变低，集成电路比手动焊接的晶体管的可靠性更好，此时高级语言迅速发展，此时有了分时操作系统。

• 其实就是将晶体管、电容元器件高密度的存在了电路板上。

此时阶段主要用于科学计算，暂时还没有步入个人生活：

第四代：大规模，超大规模集成电路

随着集成电路的提升，出现第四代，此时开始出现微处理器，也就是CPU，例如苹果的A13。

芯片技术的进步导致微处理器的诞生，同时也导致微型计算机的诞生，之后微型计算机开始逐步步入每一个人的生活。

看一下Intel公司处理器的发展：

• 例如采用8080的8位CPU处理16位字长，则需要处理两次，而采用8086则只需要处理一次即可。

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1.2.3、计算机硬件的发展历史

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1.2.4、摩尔定律介绍

摩尔定律出自仙童公司的摩尔提出的：

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1.3、计算机软件的发展

1.3.1、软件的发展

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1.3.2、目前的发展趋势

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知识回顾与重要考点

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二、计算机的层次结构

2.1、计算机硬件的基本组成

2.1.1、冯诺依曼基本思想及特点（以运算器为中心，包含五大部件）

早期的冯诺依曼机器：

原本的手动接线需要程序员或操作员先去手动的操作布线，之后才操作完成之后才能够进行运算。

而冯诺依曼提出了存储程序的概念，提前可以将二进制代码输入计算机的主存储器，之后按照存储器的首地址执行程序的第一条指令，接着就往后执行其他指令直到结束。

• 存储器->控制器中的传输线：控制器从存储器中读取指令的一个数据流

对于同一个功能可以使用软件来实现，也可以使用硬件来实现。

• 软件实现成本更低，效率更低。
• 硬件实现成本更高，效率更高。

冯诺依曼计算机特点：

以运算器为中心，那么相当于所有的数据都要经过运算器，那么就会导致效率降低，针对于这个问题，现代计算机做了优化，实际加工厂例子：

• 有些计算机的指令可执行多个地址码的，例如一条指令包含两条地址，这种指令被称为二地址指令。
• 存储程序：在程序运行之前，会将指令与数据提前存储到内存当中。

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2.1.2、现代计算机的结构（以存储器为中心）

优化之前冯诺依曼以运算器为核心的架构，现代计算机的机构是以存储器为核心，如下图：

输入设备的数据是直接放入到存储设备中去的，当运算器处理完毕之后，输出设备也会直接从存储器中取出数据，此时就可以更多的解放运算器的时间，让运算器进行更多的计算。

注：由于运算器、控制器之间的逻辑关系十分紧密，在大规模集成电路工艺出现了之后，这两个部件通常是集成到同一个部件上的，整合了整两个部件就是现在的CPU。

看一下硬件的组成部分及主机、IO设备的包含范围：

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知识点回顾与重要考点

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2.2、各个硬件的工作原理

寄存器也是存放二进制数据，MAR是存放与地址相关的二进制数据，MDR是存放实际的数据

2.2.1、主存储器的基本组成

左边是主存储器的结构，而右边则是去仿照主存储器来说明的现实应用：

接下来理解一下MAR与MDR的作用：

对于存储器来说，CPU可以指明要写入到哪个位置(放入到MAR)，写入的哪个数据(放入到MDR)，最后CPU会通过控制总线告诉主存储器说这次要进行的操作是写操作，那么主存储器根据CPU发出的这三个信息，就可以往对应的位置写入CPU想要写的数据了。

接着来理解下存储体：一个存储体包含多个存储单元，一个存储单元对应一个地址

• 一个字的大小要看主存储器的计算机硬件如何设计，有8、16、32位的。不要将其和1个字节混淆，还有1B、1b。

额外扩展：例如宽带的100Mbps换算对应的迅雷下载为B，则中间有8倍的关系，实际下载为10MB/s。

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2.2.2、运算器的基本组成

主要有三个不可或缺的寄存器以及一个核心部件。

运算器里面制造成本最高的是ALU，其他基本都是存放操作数的。

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2.2.3、控制器的基本组成

在控制器中CU才是真正的核心，很多时候会将PC、IR统称为取指阶段，CU表示为执行阶段：

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2.2.4、计算机的工作过程

高级语言示例并分析指令执行

下面执行一段程序，我们来看在计算机硬件部分是如何运行的：

接下来看一下对于一条y=a*b+c指令在硬件指令的运行过程：

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①第一条指令：执行取数指令

执行主存地址0的一条指令流程：其是一条取数指令，包含下面的多个硬件执行步骤

初步：PC(0)：取出地址为0的指令并执行。

#1：(PC)->MAR：会导致(MAR)=0，控制器向主存指明了接下来要访问的是0号地址的这一串数据，同时控制器会通过控制总线告诉主存储器这次要进行的是读操作，接下来主存储器会根据MAR记录的这条地址去存储器里找出0号地址所对应的二进制数据，并将二进制数据放入到MDR当中。

• (MAR)有括号，表示的是里面的内容。

#3 M(MAR)->MDR：表示将主存储器中的MAR地址中的数据放入到MDR当中。

• M(MAR)：表示的是主存储器里的MAR

#4 (MDR)->IR：会将当前MDR中的数据放入到IR寄存器中。

#5 OP(IR)->CU：会将IR的前6位送到CU中，CU识别6位二进制为取数指令。

#6 Ad(IR)->MAR：此时会将在IR中的地址码送到MAR中，导致(MAR)=5

#8 M(MAR)->MDR：表示将主存储器中的MAR地址中的数据放入到MDR当中。

最终在控制单元的操作下，会将MDR的数据传输到ACC中。

#9 (MDR)->ACC：将MDR中的值传输到ACC累加器中。

上面的多个步骤实际上可分为取指令、分析指令以及执行指令：

此时当一条指令执行完成之后，PC会自动+1，也就是说会去执行主存地址为1的指令。

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②第二条指令：执行乘法指令

接下来执行第二条指令：很明显中间过程也是让CU去处理识别操作码000100，即为乘法指令，对应的地址码指定主存地址为6的

执行第二条指令的完成步骤如下图所示：

注意在这一个阶段将MDR中的数据会传输到MQ当中去，此时b=3。

接着会将对应的被乘数2，也就是(ACC)->x，将ACC中的值放入到x中，令(x)=2。

最终执行由ALU执行完乘法操作，(MQ)*(x)->ACC，将乘法求得的数放置到ACC中。

注意：其中的取指令、分析指令过程与执行指令一一致，对于执行xx指令的步骤不相似。

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③第三条指令：执行加法指令

上面第二条指令执行完毕之后，PC同样会加1，此时开始执行主存地址为2的PC指令：

在执行加法的时候，X中存放被加数，ACC中存放加数。

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④第四条指令：执行存储操作

第三条指令执行完成后，执行主存地址为3的指令：实际就是将之前的y=a*b+c=2*3+1=7存储到指定0000000000000111地址空间中

第五条指令：执行停机指令

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知识点回顾与总结

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2.3、计算机系统的层次结构

2.3.1、计算机的层次结构

上面计算机工作过程中执行多条指令中的一个指令的多个命令，实际上就是微指令：

像这里的层次结构(与操作系统有些不同)更多的是从编程人员与硬件设计人员角度来考虑的。

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2.3.2、三种级别的语言（机器、汇编与高级语言，汇编、编译与解释程序）

部分语言并不是直接通过编译程序来进行一步步编译到机器语言的，而是通过解释程序来翻译成与之对等的机器语言程序。

编译程序与解释程序区别：

• 编译程序是可以编译成.exe文件来最终执行的。（只需要翻译一次）
• 解释程序则是翻译一句就立即执行，每次执行都要翻译。（每次执行都要翻译一次）

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知识回顾与重要考点

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2.4、计算机体系结构vs计算机组成原理

两者的不同点：

• 计算机体系结构：探讨的指令系统怎么设计，我设计的计算机需要对上层的程序员提供什么样的指令，有无乘法指令，若是不提供乘法指令，那么想要实现乘法功能的程序员，那么就只能通过执行多次加法来得到最终结果。
• 计算机组成原理：如果我要给上层提供乘法指令，那么对于乘法指令我如何用硬件来实现。

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三、计算机的性能指标

3.1、存储器的性能指标

主要包含MAR与MDR：

注意下下面的一些注意点：

点1：MAR的位数可以直接表示实际的容量，也就是按照最大值来算就可以了。

• 因为在现实情况中并不是都有满的容量情况，考试直接按照最大来算即可。

点2：关于MAR多少位，为什么就可以直接使用2³²来计算呢？

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3.2、CPU的性能指标

指标：CPU时钟频率、CPU主频、CPI

主频越高，速度也越快，很大程度上反应了CPU的性能。并不是只有主频才会影响CPU运行，还有如CPI等一些指标。

CPI：不同的指令，CPI也有可能会不同，甚至是相同的指令，也会有变化。

• 一般来说我们都是去计算的一条指令平均耗时：一条指令的耗时 = CPI x CPU的时钟周期

此时我们可以做一题示例：

• 其中3* (1 / 1000)就是一条指令的耗时，那么100条指令耗时就得到了上面的式子。

指标：IPS、FLOPS

• 例如：2MIPS表示每秒钟2百万条指令。2GIPS表示每秒二十亿条指令。
• 3TFLOPS：表示3万亿次的浮点运算，拆分为3、T、FLOPS。

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3.3、系统整体的性能指标

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3.4、基准程序（整体的性能指标，动态测试）

本质上就是给你设计好了一大段程序代码，在这段代码中包含了各种各样的指令，各种指令出现的频次，频率是不一样的，会根据你电脑所运行指令的耗时来评定打分。

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关于电脑机器性能好是否只由主频、CPI或者基准测试程序分数决定？

结论：决定执行指令速度的快慢与主频、CPI（一条指令执行的时间）、指令系统（不同的指令系统指令不一样都有，例如若是乘法指令没有就需要执行多条加法指令）有关

**问1：主频高CPU一定比主频低CPU快？**并不是，若是CPI快，后者可能执行的指令也很快！

问2：若是问1中CPI一样呢，是否还是主频高的CPU快？

问3：基准程序跑分越好，电脑机器性能越好？

分数越高未必越好，要根据你的实际用途来进行测试，例如你的电脑对于运算十分擅长，但是你却用来进行显卡测试，明显不会高分。

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知识点回顾与重要考点

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整理者：长路 时间：2023.5.20-21