计算机基础-CPU

计算机基础-CPU-控制器/运算器/寄存器等相关整理

计算机基础

• 第一台计算机
  • ENACI阿尼阿克
  • 占地几个房间
  • 30吨
  • 1946年，宾夕法尼亚大学
  • 莫克利、艾克特
  • 借鉴了ABC（阿塔纳夫索）计算机（实际是思路）
• 电子计算机发展
  • 第一代：1946-1957
    • 阿尼阿克
    • 元器件：电子管
    • 输入输出穿孔的纸袋
    • 使用机器语言及汇编语言
      • 执行速度快
      • 直接与硬件打交道
        • 可移植性差（A、B电脑硬件不一样的话无法执行）
  • 第二代：1957-1964
    • 元器件：晶体管
    • 使用高级语言
    • 用于科学计算、数据处理等
  • 第三代：1964-1970
    • 元器件：中小规模集成电路
      • 直插式
    • 高级程序语言+操作系统
    • 标准化、多样化、通用化、机型系统化
  • 第四代：1971-至今
    • 元器件：大规模、超大规模晶体管
    • 系统架构方面
      • 并行......
    • 软件方面
      • 百花齐放
    • 微型计算机发展
      • 1971年诞生
      • 第一个处理器：英特尔4004
      • 字长：4位
    • 处理器
      • 英特尔
        • 4004
        • 8008
        • 8080
        • 8086
        • 8088
          • 内部为16位，外8位
        • 80286
        • 80386
        • 80486
        • 80586（奔腾系列）
        • 酷睿i系列
      • AMD（美国超微计算）
        • 速龙（Athlon
          • 低端笔记本用的较多
        • 钻龙（Duron）
        • 皓龙（Opteron）
        • 闪龙（Sempron）
        • 炫龙（Turion）
        • 羿龙（Phenom）
        • 锐龙（Ryzen）
          • 中高端个人电脑
        • 霄龙（Epyc）
          • 用于服务器
    • 第一台个人电脑
      • IBM PC
      • 1981
      • 型号：5150
      • 处理器：英特尔8088
        • 内16位、外8位
        • 主频：8MHz
      • 操作系统：MS-DOS
  • 第五代
    • 巨型化
    • 微型化
    • 网络化
    • 智能化
      • 自我学习
    • 多媒体化
• 计算特点机的
  • 高精度运算能力
  • 准确的逻辑判断能力
  • 强大的存储能力
  • 自动运行功能
  • 网络和通信能力
• 性能指标
  • 字长
    • 计算机能直接处理的二进制位数
    • 标志着运算精度
    • 单位：bit/小写的b
  • 主频
    • CPU工作时钟频率
    • 决定计算速度
      • 决定
    • 2.8GHz
  • 运算速度
    • 完成基本指令数目的平均速度
    • 单位：MIPS（表示每秒百万条指令）
  • 内存存储容量
    • 内存储器中所能存储信息的最大数量决定着计算速度
  • 存取周期
    • 连续启动两次“读”或“取”操作所需最短的时间
    • 目前半导体存取周期几十~几百纳秒
      • 1ns=1000ms=1000000us=1000000000ns
  • 其他
    • 外存
    • 性价比
    • 平均无故障时间
    • 可维护性
    • 可靠性
    • .....
• 应用领域
  • 科学计算（数值计算）
    • 卫星轨道
    • 天气预报
    • 天文、核物理等
  • 数据处理
    • Excel等
    • 收集、整理、存储、分类
    • 办公自动化、企业管理
  • 过程控制
    • 数控机床
    • 航天飞机升空
    • 生产流水线
  • 计算机辅助系统
    • CAD辅助设计
    • CAM辅助制造
    • CAT辅助测试
    • CMI辅助管理
    • CAI辅助教学
      • PPT等
    • CBE辅助教育
  • 人工智能
    • 机器人
    • 定理证明
    • 模式识别
      • 语音识别
      • 声纹识别
      • 指纹、图像
    • 专家系统
      • 人造专家
• 计算机分类
  • 按综合性能指标
    • 巨型机
      • 性能MAX
      • 复杂度MAX
      • 价格MAX
    • 大型机
      • 通用性强
      • 用于大型企业、金融系统、科研等
    • 中型机
      • 大中型企业
      • 性能要求中等
    • 小型机
      • 结构简单
      • 价格低
      • 用于科学计算、数据处理、自动化控制等
    • 微型机
      • 用于个人计算机
      • 性能低
      • 价格低
  • 按信息处理方式
    • 数字计算机
      • 现在基本都是数字计算机
    • 模拟计算机
    • 混合计算机
  • 按用途
    • 通用计算机
    • 专用计算机
      • 为解决某一个问题而设计
  • 按字长
    • 4位
    • 16位
    • 32位
    • 64位

计算机系统的组成

• 基本组成
  • 硬件系统(裸机)
    • 快速运行、保证结果精度
    • 控制器
    • 运算器
    • 输入设备
    • 输出设备
    • 存储器
  • 软件系统
    • 管理、维护计算机，发挥其软硬件资源性能
    • 系统软件
      • OS
      • 程序语言
      • 系统检测
      • 通用数据库管理软件
      • 编译系统
    • 应用软件
      • 用户直接接触
      • ......
    • 发展方向
      • 标准化
      • 模块化
• 工作原理
  • 冯-诺依曼原理
    • 
    • 五大部分
      • 输入设备
      • 运算器
      • 存储器
      • 控制器
      • 输出设备
    • 用二进制
      • 物理上实现容易
      • 电路容易
    • 程序控制电脑
    • 内容存储于存储器
• 工作过程
  • CPU访问输入输出接口
  • 读入数据并运行
  • 暂存结果
  • 输出结果
• 中央处理器
  • 运存器
    • 算数逻辑部件（ALU）
      • 算数运算
        • 实际计算器只知道加
        • 加减等
      • 逻辑运算
        • 或
        • 与
      • 移位运算
      • 求补运算等
    • 状态寄存器
      • 存放两类信息：一类是用于体现当前指令执行结果的各种状态i信息，另一类是存放控制信息
    • 通用寄存器
      • 可用于传送或暂存数据，也可参与算数逻辑运算，并保存运算结果
    • 累加器
      • 用于存储计算产生的中间结果
      • 中间结果不放入内存，加快运算速度
      • 实际也是个寄存器
  • 控制器
    • 指令指针寄存器
      • 指针：通常指向一个地址
      • 产生、存放下一条指令的地址
    • 指令寄存器
      • 临时从内存里面取得的程序指令
      • 用于存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令
    • 控制逻辑电路
      • 产生执行微操作所需的控制信号
    • 时钟控制电路
      • 产生指令执行过程中所需要的时间控制信号
    • 微程序控制器
  • 寄存器
    • 概念：临时存储单元
    • 存取速度：存取速度最快，比高速缓存还快
    • 位数=ALU的宽度=数据总线宽度