导图社区 计算机系统概述思维导图（含注释）
计算机系统概述思维导图（含注释），包括：计算机发展历程、计算机系统层次结构、计算机性能指标。第一次做脑图，感觉还不错，希望自己考证必过！
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计算机系统概述
计算机发展历程
计算机硬件的发展
世界上第一台电子数字计算机（ENIAC）
ENIAC，全称为Electronic Numerical Integrator And Computer，即电子数字积分计算机。ENIAC是继ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）之后的第二台电子计算机和第一台通用计算机。 它是完全的电子计算机，能够重新编程，解决各种计算问题。它于1946年2月14日在美国宣告诞生。 承担开发任务的人员由科学家约翰·冯·诺依曼和“莫尔小组”的工程师埃克特、莫希利、戈尔斯坦以及华人科学家朱传榘组成。总工程师埃克特在当时年仅25岁。
计算机的四代变化
电子管时代
电子管计算机，主要特点是采用电子管作为基本电子元器件，体积大 耗电量大 寿命短 可靠性低 成本高；存储器采用水银延迟线。在这个时期，没有系统软件，用机器语言和汇编语言编程．计算机只能在少数尖端领域中得到运用，一般用于科学，军事和财务等方面的计算．
晶体管时代
晶体管计算机是指20世纪50年代末到60年代的计算机。主机采用晶体管等半导体器件，以磁鼓和磁盘为辅助存储器，采用算法语言（高级语言）编程，并开始出现操作系统。由于采用晶体管代替电子管，所以很轻，且运算速度比较快，达到每秒几十万次 [1] 。晶体管计算机的基本逻辑元器件由电子管改为晶体管( Transistor)，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯，外存储器采用磁盘。与此同时，计算机软件技术也有了较大发展，提出了操作系统的概念；编程语言除了汇编语言外，还开发了Ada、 FORTRAN、 COBOL等高级程序设计语言，使计算机的工作效率大大提高 [2] 。
中小规模集成电路时代
中小规模集成电路计算机是一种早期的计算机。 始于1964至1971年，这一代计算机仍然以存储器为中心，机种多样化、系列化，外部设备不断增加、功能不断扩大，软件的功能进一步完善，除了用于数值计算机和数据处理外，已经可以处理图像、文字等资料。 使60年代中期，半导体工艺的发展，成功制造了集成电路。计算机也开始采用中小规模集成电路作为计算机的主要元件，第三代计算机诞生。这一代的主要特征有： 用中小规模集成电路作为计算机电子器件，同时主存储器开始采用半导体存诸器，外存储器有磁盘和磁带； 产生了标准化程序设计语言和人机会话式的BASIC语言。操作系统的出现并逐步完善； 同上两代相比，由于采用了中小规模集成电路，使计算机的体积和功耗进一步减小，可靠性和运算速度进一步提高； 不仅用于科学计算，还用于企业管理、自动控制、辅助设计和辅助制造等领域。
超大规模集成电路时代
1967年和1977年分别出现了大规模和超大规模集成电路。由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，被称为第四代电子计算机。美国ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。1975年，美国阿姆尔公司研制成470V/6型计算机，随后日本富士通公司生产出M-190机，是比较有代表性的第四代计算机。英国曼彻斯特大学1968年开始研制第四代机。1974年研制成功ICL2900计算机，1976年研制成功DAP系列机。1973年，德国西门子公司、法国国际信息公司与荷兰飞利浦公司联合成立了统一数据公司。共同研制出Unidata7710系列机。
计算机元件的更新换代
计算机软件的发展
计算机的分类与发展方向
电子计算机
电子模拟计算机
电子数字计算机
专用计算机
通用计算机
巨型机
巨型机（巨型计算机,supercomputer）是一种超大型电子计算机。 “天河一号”为我国首台千万亿次超级计算机。计划从2010年9月开始进行系统调试与测试，并分步提交用户使用。 它每秒钟1206万亿次的峰值速度，和每秒563.1万亿次的Linpack实测性能，使这台名为“天河一号”的计算机位居同日公布的中国超级计算机前100强之首，也使中国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机的国家。
大型机
中型机
小型机
微型机
电子计算机的一种 同义词 微型机一般指微型计算机（电子计算机的一种） 本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。 微型计算机简称“微型机”、“微机”，由于其具备人脑的某些功能，所以也称其为“微电脑”。微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出（I/0）接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机 [1] 。
单片机
单片机（Single-Chip Microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。
按指令和数据流分类
单指令流和单数据流系统（SISD）
传统冯诺依曼体系结构
冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。 数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。
单指令流和多数据流系统(SIMD)
阵列处理器和向量处理器系统
向量处理器，也称为阵列处理器，能够同步进行综合数据的运算操作；而大多数的 CPU 属于纯量处理器，只能一次处理一个要素。 向量处理器在科学计算领域应用广泛，它们是80年代乃至90年代大多数超级计算机的基础。当今大多数商业 CPU 都包括一些向量处理器指令，较为典型的是 SIMD。在视频娱乐控件和用户电脑图形硬件中，向量处理器在其构架中也起了至关重要的地位。
多指令流和单数据流系统(MISD)
不存在
多指令流和多数据流系统(MIMD)
多处理器和多计算机系统
多处理器系统（Multiprocessor Systems）是指包含两台或多台功能相近的处理器，处理器之间彼此可以交换数据，所有处理器共享内存，I/O设备，控制器，及外部设备，整个硬件系统由统一的操作系统控制，在处理器和程序之间实现作业、任务、程序、数组极其元素各级的全面并行。
计算机系统层次结构
计算机系统的组成
图1-4 细化的计算机组成框图
计算机硬件的基本组成
早起的冯诺依曼机
计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成
指令和数据以同等地位（二进制形式）存储在存储器中，并可按地址寻访，CPU通过寻址方式区分
指令由操作码和地址码组成
指令在存储器中按顺序存放
早期冯诺依曼机以运算器为中心，I/O通过运算器和存储器传送数据
控制流驱动方式
图1-1典型的冯诺依曼计算机结构
现代计算机的组织结构
图1-2 以存储器为中心的计算机结构
计算机的功能部件
输入设备
输出设备
存储器
概念
计算机的存储部件，存放程序和数据
主存储器（主存）
CPU能直接访问
<--组成
存储单元
存储元件
存储一位二进制代码“0”or“1”
存储一串二进制代码，称为存储字，代码位数称为存储字长
存储字长是1B（8bit）或字节的偶数倍
包括
存储体
地址寄存器（MAR）
位数对应存储单元个数
10位代表有2^10个存储单元
数据寄存器（MDR）
位数与存储字长相等
时序控制逻辑
工作方式
按存储单元的地址进程存取
辅助存储器（外存储器、辅存）
运算器
核心
算术逻辑单元（ALU）
包含若干通用寄存器
控制器
程序计数器（PC）
存放当前欲执行指令的地址，可自动+1形成下一条指令地址，与主存的MAR之间有一条直接通路
指令寄存器（IR）
存放当前的指令，内容来自主存的MDR
控制单元（CU）
计算机软件的分类
系统软件
OS、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序
应用软件
计算机的工作过程
1、把程序和数据装入主存
2、从程序的起始地址允许程序
3、用程序首地址从存储器取出第一条指令，经过一系列步骤完成指令功能，计算下一条指令的地址
4、用得到的地址继续°第二条指令执行，直到程序结束
每条指令都是在取指、译码和执行的循环中完成的
计算机系统的多级层次结构
图1-5 计算机系统的多层次结构
三个级别的语言
机器语言
二进制编码组成，机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言
汇编语言
英文或缩写代替二进制的指令代码，汇编语言要经过汇编操作，将其转化为机器语言才能执行
高级语言
C++/java/C，编译程序编译成汇编语言，汇编操作得到机器语言才能执行
计算机性能指标
机器字长
计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数
机器字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高
指令字长（与机器字长对比）
一个指令中包含的二进制代码的位数
存储字长（与机器字长对比）
一个存储单元存储的二进制代码的长度
数据通路带宽
数据总线一次所能并行传送信息的位数
主存容量
主存储器能存储信息的最大容量，通常用字节（B）衡量
字数x字长（例512K*16位）
MAR的位数反映存储单元个数，其反映可寻址范围的最大值
MAR16位 表示有2^16=65536个存储单元（称64K内存） MDR32位 则存储容量 64K*32位
n为地址->2^n个存储单元 最大容量=2^n*存储字长
总容量=存储单元个数*存储字长 bit单位 总容量=存储单元个数*存储字长/8 Byte单位
运算速度每秒能执行多少条指令
吞吐量
系统单位时间内处理请求的数量
响应时间
用户向计算机发送一个请求，到系统做出响应并获得所需结果的等待时间
通常包括CPU时间（允许一个程序所花时间）和等待时间（磁盘范围、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等）
CPU时钟周期
通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期
主频（CPU时钟频率）
机器内部主时钟的频率
CPU时钟周期=1/主频
单位 Hz 1Hz表示每秒1次
CPI
执行一条指令所需要的时钟周期数
CPU执行时间
运行一个程序所花费的时间
CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数*CPI）/主频
MIPS
每秒执行多少百万条指令
MIPS=指令条数/（执行时间*10^6）=主频/CPI
MFLOPS
每秒执行多少百万次浮点运算
MFLOPS=浮点操作次数/（执行时间*10^6）
GFLOPS
GFLOPS=浮点操作次数/（执行时间*10^9）
TFLOPS
TFLOPS=浮点操作次数/（执行时间*10^12）
1位（b）=1比特（bit） 1字=2字节 1字节=8位=8比特
