计算机组成原理笔记（持续施工中）

博主：酱油瓶
发布时间：2022 年 08 月 30 日
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分类：文章学习

内容根据课本整理，课本为计算机组成原理（第5版·立体化教材）[科学出版社]
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# 第1章 计算机系统概论

## 1.1 计算机的分类

电子计算机从总体上来分为两大类：

1. 模拟电子计算机
2. 电子数字计算机
   - 专用计算机：最有效、最经济、最快速，但是适应性差
   - 通用计算机：
     - 适应性打，牺牲了效率、速度和经济性
     - 分为超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机、多核机

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## 1.2 计算机的发展简史

### 1.2.1 计算机的五代变化

| 迭代   | 时间      | 形态                           |
| -------- | ----------- | -------------------------------- |
| 第一代 | 1946~1957 | 电子管计算机                   |
| 第二代 | 1958~1964 | 晶体管计算机                   |
| 第三代 | 1965~1971 | 中小规模集成电路计算机         |
| 第四代 | 1972~1990 | 大规模和超大规模集成电路计算机 |
| 第五代 | 1991至今  | 巨大规模集成电路计算机         |

### 1.2.2 半导体存储器发展

- 20世纪50~60年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环（磁芯）做成
- 1970年，仙童半导体生产出第一个较大容量半导体存储器
- 1974年每位半导体存储器的价格低于磁芯
- 1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB,4KB,16KC,64KB,256KB,1MB,4MB,16MB,64MB,256MB,和现在的1GB，每一代比前一代存储密度提高4倍，而每位价格和存取时间都在下降

### 1.2.3 微处理器的发展

- 1971年开发出Intel 4004，微处理器诞生了
- 1974年Intel8080，8位处理器
- 20世纪70年代末，出现通用16位处理器

### 1.2.4 计算机的性能指标

- **吞吐量** 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。
- **响应时间表** 征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
- **利用率** 在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。
- **处理机字长** 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64 位。
- **总线宽度**一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
- **存储器容量** 存储器中 所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
- **存储器带宽** 单位时间内从存储器读出的二进制数信息量， 一般用字节数/秒表示。
- **主频/时钟周期** CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主
  时钟的频率($f$)叫CPU的主频。度量单位是MHz (兆赫兹)、GHz (吉赫兹)。
  主频的倒数称为CPU时钟周期($T$)， $T=1/f$,度量单位是$μs$、$ns$。
- **CPU执行时间**表示CPU执行一般般程序所占用的CPU时间，可用下式计算:

$$
  CPU执行时间= CPU时钟周期数\times CPU时钟周期

$$
- **CPI** 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算:

$$
  CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数\div程序包含的指令条数

$$
- **MIPS** ( Million Instructions Per Second)的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点
  指令数，用下式计算:

$$
  MIPS= 指令数\div(程序执行时间\times10^6)

$$
- **FLOPS** (Floating point Operations Per Second)的缩写，表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算:

$$
  FLOPS=程序中的浮点操作次数\div程序执行时间(s)

## 1.3 计算机的硬件

### 1.3.1 硬件组成要素

- 运算器
- 存储器
- 输入设备或输出设备
- 控制器

### 1.3.2 运算器

- 主要功能：进行加、减、乘、除等算数运算，也可以进行逻辑运算，因此通常称为ALU（算数逻辑运算部件）
- 计算机的运算器长度一般为8位、16位、32位、64位

### 1.3.3 存储器

- 功能：保存或“记忆”接替的原始数据和解题步骤
- 存储容量：存储器所有存储单元的总数
- 存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器称为外存储器，半导体存储器称为内存储器，简称内存

最后修改：2022 年 08 月 30 日

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酱油瓶 • 2022 年 08 月 30 日

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# 第1章 计算机系统概论

## 1.1 计算机的分类

电子计算机从总体上来分为两大类：

## 1.2 计算机的发展简史

### 1.2.1 计算机的五代变化

### 1.2.2 半导体存储器发展

### 1.2.3 微处理器的发展

- 1971年开发出Intel 4004，微处理器诞生了
- 1974年Intel8080，8位处理器
- 20世纪70年代末，出现通用16位处理器

### 1.2.4 计算机的性能指标

$$
  CPU执行时间= CPU时钟周期数\times CPU时钟周期

$$
- **CPI** 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算:

$$
  CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数\div程序包含的指令条数

$$
- **MIPS** ( Million Instructions Per Second)的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点
  指令数，用下式计算:

$$
  MIPS= 指令数\div(程序执行时间\times10^6)

$$
- **FLOPS** (Floating point Operations Per Second)的缩写，表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算:

$$
  FLOPS=程序中的浮点操作次数\div程序执行时间(s)

## 1.3 计算机的硬件

### 1.3.1 硬件组成要素

- 运算器
- 存储器
- 输入设备或输出设备
- 控制器

### 1.3.2 运算器

### 1.3.3 存储器

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