2025年一.计算机系统概述

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一.计算机的发展

存储器历史

芯片历史

1.发展历史

1.1.机器时代(计算机时代:0)

1622 —— Wilhelm Schickard发明第一台计算钟
1642 —— 帕斯卡(Blasie Pascal)发明了机器加分器
1670 —— 莱布尼兹(Gottfried Leibniz)改进发明了步进式计算器
1822 —— 巴贝奇(Charkes Babbage)发明了差分机
1833 —— 巴贝奇(Charkes Babbage)发明了分析机
1888 —— 霍勒瑞斯(Herman Hollerith)发明了机电式打卡系统制表机
1938 —— 朱斯(Konrad Zuse) 发明了二进制计算机 Z-1
1944 —— 艾肯(Howard Aikean) 发明通用型机电计算器 MARK-1

1.2.电子管计算器(计算机时代:1)

1946 —— John Mauchly+J.Presper Eckert 发明了电子数字积分器和计算器ENIAC
电子管时代计算机特点:

基本元器件使用了体积大,功耗大,可靠性低的电子管

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开始存储程序,存储使用容量很小的汞延迟线或静电存储管
使用简单输入输出设备:纸孔卡带
程序语言为机器语言

1.3.晶体管计算器(计算机时代:2)

1948 —— John Bardeen+Walter Brattain+William Shockley发明了晶体管,推动了计算机的进步

晶体管时代计算机特点

基本元器件使用了可靠性高,体积小的晶体管
采用了磁芯存储器做为主存,磁盘,磁带做为辅存
提出操作系统的功能,出现了汇编语言

1.4.集成电路计算机(计算机时代:3)

集成电路时代计算机特点

基本元器件集成电路
主存:半导体存储器
操作系统进一步明确和完善,高级语言进一步发展
计算机研制开始系列化、通用化、标准化

1.5.大规模和超大规模计算机(计算机时代:4)

1971 —— Intel 制造出第一个微处理器芯片Intel 4004
1978 —— 8位处理器 Intel 8008
1978 —— 16位处理器Intel 8086
1981 —— 微机IBM PC

大规模计算机特点

计算机体系结构大发展: 虚拟存储技术,流水线技术,高速缓冲存储器技术,并行处理技术
内存的容量和速度大幅度提高
计算机外围设备的种类越来越丰富
系统软件功能越来越强
应用软件越来越丰富

1.6.系列机

在产生了多种计算机生产厂商后,为保证用户体验所共有的特性
向前兼容性： 同一公式不同时期生产的计算机，系统结构（命令系统，数据格式，控制方式，数字编码，输入输出） 相同
投资保护： 在底端机编写的程序可以不经更改就能在高端机上运行

二.计算机分类与性能指标

1.运算速度划分

种类	每秒运算速度	常用领域
巨型机	万亿次	国防尖端
大型机	1亿	中心数据库，应用服务器
小型机	几百万	小型UNIX服务器
微型机	百万条	个人使用
工作站	百万条——几百万	专用某一领域

2.综合划分

种类	划分标准	常用领域
高性能计算机	世界计算机排名>500	超级计算机
微型计算机	为个人开发的计算机	个人使用
工作站	为专门领域开发的计算机	专业领域使用
服务器	为用户提供服务的计算机	服务器领域
嵌入式计算机	嵌入式微处理器+外围硬件设备+监视\管理功能

3.计算机性能评测

TPC评测体系: 联机事务处理工作量的一个衡量标准
- 测量方法: 每分钟的命令处理数量
SPEC评测体系: 全面衡量Web应用中java企业应用服务器性能的基础测试

4.计算机性能指标

吞吐量: 在期间内,计算机系统完成的工作负载
相应时间: 输入作业到输出作业的间隔时间
主频: CPU内数字脉冲信号振荡速度
cpu时钟周期: 一个脉冲即逻辑零状态与逻辑一状态来回切换一次用的时间
CPI: 执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间: CPU全速完成某进程的时间

$CPU执行时间=\frac{CPU时钟周期数}{时钟频率}$

MIPS: 每秒执行多少百万条指令

$MIPS=\frac{指令条数}{执行时间*10^{-6}}$

MFLOPS: 每秒执行多少百万次浮点运算

$MFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间*10^{-6}}$

$GFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间*10^{-9}}$

$TFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间*10^{-12}}$

$PFLOPS=\frac{浮点数操作次数}{执行时间*10^{-15}}$

三.计算机的基本组成

1.计算机硬件结构

仅从外观看: 显示器,机箱,键盘,鼠标
主机构成看: 电源,主板,硬盘,光驱,显卡,网卡
在这里插入图片描述

2.计算机功能结构

组成: 在冯.诺依曼体系中计算机由运算器,控制器,输入设备，输出设备组成。
存储程序: 将要执行的数据和程序事先存放在存储器中
2进制使用: 指令和处理的数据都有2进制表达
顺序执行程序: 要执行的程序先保存主存储器中，在执行时按照顺序，一条条的读取并执行程序。

2.1.运算器

运算器: 计算机内用于完成运算的部件
ALU: 运算器核心部件,完成各种算术运算和逻辑运算
ALU

2.2.控制器

控制器: 计算机内用程序控制硬件的部件

程序执行流程: