1.1 計算機發展歷程

計算機硬件的發展：

第一代計算機（1946-1957）：邏輯元件：電子管、機器語言編程

第二代計算機（1958-1964）：邏輯元件：晶體管、開始使用高級語言：

fortran

第三代計算機（1965-1971）：邏輯元件：較小規模的集成電路、高級語言迅速發展

第四代計算機（1972至今）：邏輯元件：較大規模的集成電路、現代計算機（微處理器、流水線、高速緩存等）

1.2 計算機系統結構層次

計算機系統組成

計算機系統由硬件系統和軟件系統共同構建起來

硬件：有形的物理設備，是計算機系統中實際裝置的總稱

軟件：在硬件上運行的程序和相關的數據及文檔

計算機功能部件

1.輸入設備 ：

是指將程序和數據（外部信息）以計算機能識別和接受（讀懂）的方式輸入進來，如鍵盤，鼠標等。

2.輸出設備 ：

就是將計算機處理的信息以人所能接受的方式輸出出來，比如顯示屏，打印機。

3.存儲器 ：是計算機的存儲部件，用來存放程序和數據

主存儲器的組成:

注：現代計算機常把地址寄存器（MAR) 和數據寄存器(MDR)存在于CPU中

（后續第三章介紹）

地址寄存器(MAR)：存放地址，經過地址譯碼后找到所選的存儲單元；

數據寄存器(MDR)：用于暫存從存儲器中讀或寫的信息

存儲體：存放二進制信息

時序控制邏輯：產生存儲器操作所需的各種時序信號(讀、寫操作等)

存儲字（word）：存儲單元中二進制代碼的組合(可以為n*8bit即 8 16 32 64等)

存儲字長：存儲單元中二進制代碼的位數（長度）

存儲元件：1bit（以dram為例 即為一個柵級電容 只能存儲一為信息）

即：存儲體由多個存儲單元組成，存儲單元由多個存儲元件組成

4.運算器 :是計算機的運算單元，用于算術運算和邏輯運算

運算器的核心單元是算術邏輯單元(ALU)

5.控制器

一般將運算器和控制器集成到同一個芯片上，稱為中央處理器(CPU)

計算機軟件分類

系統軟件：保證計算機系統高效運行的基礎軟件

包括操作系統，數據庫管理系統，語言處理系統(比如編譯器)，分布式軟件系統，網絡軟件系統，標準庫系統，服務性系統

應用軟件：解決某個應用領域中的各類問題而編制的程序（app）

包括各種科學計算類程序，工程設計類程序，數據統計與處理程序。

三個級別語言

1)機器語言。又稱二進制代碼語言，需要編程人員記憶每條指令的二進制編碼。

機器語言是計算機唯一可以直接識別和執行的語言。

2)匯編語言。匯編語言用英文單詞或其縮寫代替二進制的指令代碼，更容易為人們記憶和理解。使用匯編語言編輯的程序，必須經過一個稱為匯編程序的系統軟件的翻譯，將其轉換為計算機的機器語言后，才能在計算機的硬件系統上執行。

3)高級語言。高級語言(如C、C++、Java等)是為方便程序設計人員寫出解決問題的處理方案和解題過程的程序。通常高級語言需要經過編譯程序編譯成匯編語言程序，然后經過匯編操作得到機器語言程序，或直接由高級語言程序翻譯成機器語言程序。

高級語言——匯編語言的過程叫做編譯，匯編語言——機器語言的過程叫做匯編，

邊翻譯邊執行的叫做解析。

計算機的工作過程

計算機的工作過程分為以下三個步驟:

1）把程序和數據裝入主存儲器。（loader干的）

2）將源程序轉換成可執行文件。（生成hex文件）

3）從可執行文件的首地址開始逐條執行指令。（上電cpu進行尋指，依次執行）

1.從源程序到可執行文件

1）預處理階段:預處理器（cpp）對源程序中以字符#開頭的命令進行處理，

例如將#include命令后面的.h文件內容插入程序文件。輸出結果是一個以.i 為擴展名的源文件 hello.i。（1.頭文件要展開 2.#define這種定義的字符串要替代下 等操作）

2. 編譯階段:編譯器 (ccl) 對預處理后的源程序進行編譯，生成一個匯編語言源程序hello.s。

3）匯編階段:匯編器（as）將 hello.s 翻譯成機器語言指令，把這些指令打包成一個稱為可重定位目標文件的hello.o，它是一種二進制文件，因此在文本編輯器中打開它時會顯示亂碼。

4）鏈接階段:鏈接器（ld〉將多個可重定位目標文件和標準庫函數合并為一個可執行目標文件，或簡稱可執行文件。

本例中，鏈接器將hello.o和標準庫函數prinft所在的可重定位目標模塊prinft.o合并，生成可執行文件 hello。最終生成的可執行文件被保存在輔存上。

PS.link完成后生成hex文件，才是可執行的文件

2.指令執行過程的描述

指令和變量數據存在主存里面

通用過程

先PC將指令地址發送給MAR，MAR根據地址在存儲體中找到指令數據存放在MDR中，之后MDR將指令存放在IR中，取指令結束，之后指令中的操作碼進入CU中，地址碼重復上述取指令步驟，將數據發送到ACC中，執行指令結束。

注意：

1.執行指令階段 CU會根據不同指令把MDR數放在ACC/MQ/X等中

2.區分指令和數據的依據:指令周期的不同階段

1.3 計算機的性能指標

1.機器字長

計算機的位數（機器字長），表示計算機進行一次整數運算(即定點整數運算)所能處理的二進制數據的位數。計算機字長通常選定為字節(8位)的整數倍，通常是2,4,8倍。不同的計算機，字節可能不同

2.數據通路帶寬

數據總線一次所能傳送信息的位數。

3.主存容量

MAR的位數反映存儲單元的個數，如MAR為16位，表示存儲單元為2^16 = 64K;

存儲單元個數*位寬=容量（長×寬）

2^10=1k若MDR為32位，則存儲容量為2^16x32.

4.吞吐量，指系統在單位時間內處理請求的數量 ；從用戶觀點看，它是評價計算機系統性能的綜合參數！

響應時間，指從用戶向計算機發送一個請求，到系統對該請求做出響應并獲得所需結構的等待時間。

CPU時鐘周期。通常為節拍脈沖或T周期，即主頻的倒數，它是CPU中最小的時間單位，每個動作至少需要1個時鐘周期。

主頻(CPU時鐘頻率)。機器內部主時鐘的頻率，是衡量機器速度的重要參數。

CPU周期又稱為機器周期，由多個時鐘周期組成！

指令周期>CPU周期>時鐘周期

CPI（Clock cycle Per Instruction），即執行一條指令所需的時鐘周期數。

CPU執行時間，指運行一個程序所花費的時間。

CPU執行時間 = CPU時鐘周期數/主頻 = (指令條數xCPI)/主頻

CPU的性能取決于三個要素:主頻、CPI 、指令條數