24考研408-计组第一章-计算机系统概述

前言

目前正在备考 24 考研，现将 24 计算机 408 学习整理的知识点进行汇总整理。

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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。

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！

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：

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。

1.2.3、计算机硬件的发展历史

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：

1.3、计算机软件的发展

1.3.1、软件的发展

1.3.2、目前的发展趋势

知识回顾与重要考点

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。

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：

知识点回顾与重要考点

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。

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。

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：

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：

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。
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
(MDR)→IR：会将当前 MDR 中的数据放入到 IR 寄存器中。
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。
Ad(IR)→MAR：此时会将在 IR 中的地址码送到 MAR 中，导致 (MAR)=5
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。