本章是计算机组成原理的开篇绪论搭建起整机的全局认知是后续CPU、存储器、运算器章节学习的地基。本章高频考点集中在计算机五代划分、冯诺依曼体系、哈佛结构、计算机五大硬件部件、计算机性能指标计算公式、软硬件逻辑等价性同时区分计算机系统、计算机组成、计算机实现三个概念选择题、简答题、计算题均有出题可能。1.1 计算机的分类计算机分类有多个划分维度考试常考按用途、按规模性能、按指令集架构三类。1. 按使用范围用途通用计算机可以执行不同程序面向多种业务场景我们日常PC、笔记本都属于通用计算机可编程功能灵活。专用计算机为某一类特定任务定制不可随意更改程序例如导弹制导芯片、车载ECU、路由器专用芯片针对性强、效率高。2. 按规模与性能从高性能到轻量化依次巨型机超级计算机、大型机、中型机、小型机、微型计算机PC、工作站、单片机、嵌入式SOC。补充巨型机多用于气象模拟、核聚变仿真、基因计算单片机广泛应用于家电控制。3. 按指令集架构CISC复杂指令集计算机指令数量多、指令长度不等一条指令可完成复杂操作代表x86架构Intel、AMD桌面处理器RISC精简指令集计算机指令数量少、定长指令硬件实现简单依靠流水线提升性能代表ARM、RISC-V1.2 计算机的发展简史1.2.1 计算机五代变化元器件是划分五代唯一标准代次 时间 核心元器件 软件特点 特点第一代 1946–1957 电子管 机器语言、汇编语言无操作系统 体积庞大、功耗极高、可靠性差代表ENIAC第二代 1958–1964 晶体管 出现FORTRAN等高级语言 体积缩小、功耗下降可靠性明显提升第三代 1965–1971 中小规模集成电路SSI/MSI 操作系统诞生、分时系统出现 多道程序支持多任务机型系列化第四代 1972–至今 大规模/超大规模集成电路LSI/VLSI 丰富高级语言、图形操作系统、互联网软件 微处理器诞生PC普及摩尔定律发挥作用第五代 新一代计算机 面向人工智能的新型器件 知识库、并行推理、AI原生架构 并行计算、智能推理尚未完全标准化商用五代划分依据物理元器件不是语言、不是操作系统选择题高频坑点。1.2.2 半导体存储器的发展早期计算机使用磁芯存储器作为主存体积大、读写速度有限。随着集成电路工艺发展半导体存储器取代磁芯存储器分为ROM只读存储器与RAM随机存取存储器。ROM断电信息保留适合存放固件BIOSRAM断电丢失信息也就是我们常说的内存条发展趋势单片容量越来越大、访问时延不断降低、单位存储成本持续下降支撑现代操作系统与大型软件运行。1.2.3 微处理器的发展 摩尔定律微处理器就是把CPU集成在一块半导体芯片上1971年Intel 4004是世界第一款商用微处理器。字长演进路线4位 → 8位 →16位 →32位 →64位。摩尔定律指出集成电路芯片上所能集成的晶体管数量大约每 18 个月便会翻一番与此同时芯片性能提升一倍而价格则减半。摩尔定律是工艺发展经验规律不是物理定律近些年工艺逼近物理极限摩尔定律逐步放缓。1.2.4 国产处理器技术的发展历程国内自主处理器起步相对晚代表龙芯、飞腾、鲲鹏、兆芯等。从早期指令集授权方案逐步走向自主指令集架构覆盖服务器、桌面、嵌入式多个场景是信创领域核心硬件。1.3 计算机的硬件冯诺依曼五大部件本章重中之重**完整硬件五大组成要素**运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备运算器 控制器 集成在一起称为CPU中央处理器CPU 主存 合称主机I/O设备称为外部设备。1.3.1 运算器运算器核心部件ALU算术逻辑单元负责完成两大类运算算术运算加、减、乘、除逻辑运算与、或、非、异或、移位、比较配套寄存器累加器ACC、通用寄存器组、状态标志寄存器PSW保存进位、零标志、溢出标志等运算结果状态1.3.2 存储器存储器用来保存程序指令和数据分为主存储器内存与辅助存储器硬盘、U盘等外存。两个关键寄存器CPU和主存交互桥梁MAR存储器地址寄存器存放要访问主存单元的地址位数决定寻址空间大小寻址空间公式\boldsymbol{寻址空间2^{MAR的位数}}举例MAR为16位则寻址空间2^{16}65536个存储单元MDR存储器数据寄存器存放从主存读出/将要写入主存的数据位数等于存储字长重点MAR只和地址有关MDR和数据宽度有关。1.3.3 控制器控制器是整机指挥中心负责指令的取指、译码、发出时序控制信号控制各个部件协同工作。控制器组成指令寄存器IR、程序计数器PC、指令译码器、时序电路、控制信号形成部件PC程序计数器保存下一条指令的内存地址每取完一条指令自动1顺序执行IR指令寄存器存放当前正在执行的指令1.3.4 适配器与输入/输出设备输入设备向主机送入信息键盘、鼠标、扫描仪输出设备接收主机送出信息显示器、打印机I/O适配器接口主机与外设之间的转换桥梁解决主机和外设速度不一致、信号电平不一样、数据格式不同的匹配问题。外设种类繁多速度差异巨大必须依靠接口电路完成适配。总线五大部件之间传输信息的公共通路分为地址总线、数据总线、控制总线。1.4 计算机的软件硬件是裸机必须搭配软件才能完成任务。软件分为系统软件与应用软件两大类。1.4.1 软件组成与分类系统软件面向计算机本身管理不是面向终端用户业务用来管理、调度硬件资源。包含操作系统OS、汇编程序、编译程序、解释程序、数据库管理系统DBMS、设备驱动程序。应用软件面向用户业务需求运行在操作系统之上解决具体业务例如办公软件、绘图软件、仿真软件。1.4.2 软件的发展演变编程语言三代演变机器语言0/1二进制硬件直接识别 → 汇编语言助记符需要汇编器翻译成机器码 → 高级语言C/Java/Python贴近人类语言需要编译/解释越高级语言对硬件细节屏蔽越强开发效率越高执行效率相对越低。1.5 计算机系统性能评价1.5.1 核心性能指标机器字长CPU一次能够并行处理二进制数据的位数决定寄存器、ALU、数据总线宽度。字长越长一次处理数据位数越多计算精度越高32位、64位处理器就是机器字长。存储容量主存容量 存储单元个数 × 存储字长bit单位换算1B8bit1KB2{10}B1024B1MB2{20}B1GB2{30}B1TB2{40}B。。换算时注意存储容量单位采用二进制2的幂次与十进制计数不同这是选择题常设的陷阱。运算速度核心公式组时钟周期 TCPU时钟脉冲周期时钟频率 f1/T单位Hz、MHz、GHzCPI每条指令所需要的时钟周期数Cycles Per Instruction 一条指令执行时间公式t指令CPITCPI/f 程序总执行时间公式T(总指令条数CPIT(指令条数CPI)/fMIPS每秒百万条指令MIPSf/(CPI*10^6)f单位Hz如果f单位MHz则简化MIPSf(MHZ)/CPIMFLOPS / GFLOPS每秒百万/十亿次浮点运算衡量浮点算力多用于科学计算、AI芯片评测FLOPS浮点运算次数/执行时间s)数据通路带宽数据总线一次能够并行传送信息位数也就是总线位宽影响数据吞吐。吞吐量单位时间内系统能够完成的任务总量反映整机持续处理能力响应时间从用户提交请求到系统返回结果所经历全部时间包含CPU运算、存储访问、I/O等待。⚠️ 重要提醒不能只看主频判断CPU性能CPI、指令集架构、缓存都会极大影响实际速度单一指标片面。1.5.2 计算机系统的测试基准Benchmark基准测试程序是一套标准化测试用例用来客观评测不同计算机真实性能避免只靠主频、字长单一指标带来误判。常见基准SPEC CPU行业公认的计算机性能评测套件。1.6 计算机系统的层次结构简答高频考点1.6.1 冯·诺依曼体系结构冯诺依曼思想三大核心要点指令和数据全部采用二进制编码表示指令与数据存放在同一个主存储器当中按地址访问存储程序、程序控制事先把程序存入内存计算机自动、顺序地取出指令并执行 冯·诺依曼瓶颈指令与数据共享同一套总线同一时刻只能读指令或者读写数据取指令和访问数据不能并行限制整机吞吐。1.6.2 哈佛结构和改进的哈佛结构哈佛结构核心指令存储器、数据存储器相互独立两套独立总线取指令、读写数据可以并行操作天然规避冯诺依曼瓶颈。纯哈佛结构指令存储、数据存储完全独立两套独立地址空间DSP、很多单片机使用改进哈佛结构单主存内部设置独立指令Cache与数据Cache外部一套存储器内部双通路现代很多CPU采用改进哈佛1.6.3 非诺依曼化为突破冯诺依曼架构瓶颈探索的新型计算机体系例如数据流计算机、并行机不采用传统“取指-执行”串行流程多用于前沿高性能计算目前没有大规模通用商用。1.6.4 多级组成的计算机系统从底层硬件向上一共多层上层软件对下层进行封装微程序机器层硬件固件层传统机器语言层机器指令层操作系统层汇编语言层高级语言层应用语言层面向问题语言上层用户不需要关心下层硬件细节下层为上层提供服务。1.6.5 软件与硬件的逻辑等价性逻辑上任何由软件完成的功能都可以使用硬件直接实现任何硬件实现的指令功能也可以通过软件模拟完成。硬件实现速度快、成本高、一旦设计完成功能固化灵活性差软件实现开发灵活、修改方便但是需要CPU逐条执行速度慢举例浮点运算可以用硬件浮点单元FPU硬件实现也可以依靠软件浮点库用整数指令模拟。注意逻辑等价 ≠ 性能等价、成本等价只是功能逻辑结果一致。1.6.6 三个易混概念辨析计算机系统完整整体 硬件 全部软件计算机组成研究计算机各大部件逻辑结构、数据通路、控制时序回答怎么做例如ALU内部通路怎么搭建Cache怎么组织计算机实现研究部件物理实现电路、芯片工艺、PCB布线回答用什么元器件、工艺制造一句话速记系统软硬件整体组成逻辑架构实现物理电路工艺。本章总结第一章建立计算机整机宏观认知先了解分类与发展史再拆解五大硬件部件功能区分系统软件与应用软件重点掌握性能指标全套计算公式能够完成简单算力计算题深刻理解冯诺依曼存储程序思想、哈佛结构差异分清计算机系统/组成/实现理解软硬件逻辑等价。本章知识点是后续CPU、存储器、指令系统学习的前置基础。本文仅为课程学习笔记所有概念、史实、定义均整理自翟明岳《信息论基础》教材仅用于个人学习交流不用于商业用途。教材著作权归原作者及出版社所有。