1、计算机系统概论
1.1 计算机的发展史
计算机的发展史大致可以分为五个阶段，每个阶段都伴随着一项新技术的诞生。其中在第二阶段，即晶体管的后期出现了操作系统。
| 阶段 | 时间 | 硬件技术 | 速度/（次/秒） |
|---|---|---|---|
| 一 | 1946-1957 | 电子管 | 40 000 |
| 二 | 1958-1964 | 晶体管 | 200 000 |
| 三 | 1956-1971 | 中小规模集成电路（MSI/SSI） | 1000 000 |
| 四 | 1972-1977 | 大规模集成电路(LSI) | 10 000 000 |
| 五 | 1978至今 | 超大规模集成电路(VLSI) | 100 000 000 |
伴随着硬件技术的提高，计算机的处理位数也发生了很大的变化。
| 微处理型号 | 位数（位） |
|---|---|
| 8008 | 8 |
| 8080 | 8 |
| 8086 | 16 |
| 8088 | 16 |
| 80286 | 16 |
| 80386 | 32 |
| 80486 | 32 |
| Pentium | 64 |
| Pentium Pro | 64 |
| Pentium II | 64 |
| Pentium III | 64 |
| Pentium 4 | 64 |
1.2 计算机系统概述
计算机系统的组成主要有硬件和软件组成，其中计算机组成原理主要的研究对象时是计算机的硬件部分。
软件： 是指看不见摸不着的，由人们事先编写的具有某些特定功能的程序组成。其中软件分为系统软件和应用软件。系统软件又叫系统程序，它主要用来管理整个计算机的系统，使系统的资源可以得到合理的调用，比如操作系统。数据库管理系统就属于系统软件。
应用软件有叫做应用程序，它是根据用户的需求编写的各种程序，比如科学计算程序、数据处理程序。事务管理程序等。
硬件： 是能看得见摸得着的，是计算机的实体部分，它由各种电子元器件组成。
1.3 计算机基本组成
计算机的组成比较复杂，在早期主要采用冯诺依曼式计算机，主要以运算器为中心，现在大多数计算机都采用以存储器为中心的计算机组成架构。
1.3.1 早期的冯诺依曼式计算机
基于冯诺依曼提出的 存储程序 原理，设计出了第一台计算机。特点可以归结为（6）：
1） 计算机主要有运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备组成。
2） 指令和数据以同等的地位存放在存储器中，并且可以按地址寻访。
3） 指令有操作码和地址码组成，其中操作码指明了操作的性质，地址码指明了操作数在内存中的位置。
4）指令在存储器中按顺序存放。
5）指令和数据均以二进制表示。
6）机器以运算器为中心。
1.3.2 现在的冯诺依曼式计算机
同样基于冯诺依曼提出的 存储程序 原理。特点可以归结为（6）：
1） 计算机主要有运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备组成。
2） 指令和数据以同等的地位存放在存储器中，并且可以按地址寻访。
3） 指令有操作码和地址码组成，其中操作码指明了操作的性质，地址码指明了操作数在内存中的位置。
4）指令在存储器中按顺序存放。
5）指令和数据均以二进制表示。
6）机器以存储器为中心。
注：
1. 运算器：主要完成一些算数逻辑运算。
2. 存储器：主要用来存放数据和程序。
3. 控制器：主要用来控制、指挥程序和数据的输入、运算结果的输出等控制命令。
4. 输入输出设备：统称为I/O设备。主要用来输入数据程序和输出结果。
5. 在现代的计算机中通常把运算器和控制器集成在CPU中，CUP+内存储器=主机
6. 硬件=主机+I/O设备 主机 = CUP+内存储器 I/O设备 = 输入设备 + 输出设备
1.4 计算机的五个部分详解
1.4.1 运算器
职责： 主要用来完成一些算术逻辑运算
组成： 主要包括四个寄存器，分别是算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）。在进行数据运算时对于不同的运算，它们有各自不同的职责：
| 寄存器 | 加法 | 减法 | 乘法 | 除法 |
|---|---|---|---|---|
| ACC | 被加数、和 | 被减数、差 | 乘积高位 | 被除数、余数 |
| MQ | 乘数、乘积低位 | 商 | ||
| X | 加数 | 减数 | 被乘数 | 除数 |
1.4.2 控制器
职责： 主要用来控制和指挥程序和数据的输入、运算结果的输出等，主要发送一些控制信号。
组成： 主要包括三个寄存器，分别是 程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）。 在进行控制时每个寄存器的功能各不相同：
| 寄存器 | 描述 | 功能 |
|---|---|---|
| PC | 程序计数器 | 用来存放当前欲执行指令的地址，它与MAR之间有一条直连的通路，且自动会加1，即可以自动形成下一条指令的地址。 |
| IR | 指令寄存器 | 存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码（OP(IR)）送至CU，记做:OP(IR)—→CU，用来 分析指令，地址码（Ad（IR））作为操作数的地址送至MAR中，记做:Ad(IR)—→MAR |
| CU | 控制单元 | 分析当前指令所需要完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控制的对象。 |
1.4.3 主存储器
职责： 主存储器简称主存/内存,主要用来存储数据和程序。
组成：主要包括一个存储体和两个寄存器，分别是存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）,每个寄存器各自的功能都不同，
| 寄存器 | 描述 | 功能 |
|---|---|---|
| MAR | 存储器地址寄存器 | 用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元个数 |
| MDR | 存储器数据寄存器 | 用来存放从存储体某单元中取出俩的代码或者准备往某个存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等 |
随着集成电路的发展，现在MAR和MDR一般都集成在CPU中。
1.4.4 I/O设备
职责: 主要用来输入数据程序和输出结果。
组成： 主要包括两部分，分别是输入设备和输出设备。
| 组成 | 功能 | 代表 |
|---|---|---|
| 输入设备 | 程序和数据的输入 | 键盘 绘图仪 鼠标 |
| 输出设备 | 程序的结果和数据的结果输出 | 打印机 显示屏 |
1.5 计算机硬件的主要指标
存储单元： 存放一串二进制代码。
存储字： 存储单元中二进制代码的组合。 字 ≠ 字节 1字节=8比特 1字不一定等于8比特 ，和计算机存储器的结构有关
存储字长: 存储单元中二进制代码的位数。
机器字长: 指CPU一次能处理的数据的位数，通常与CPU的寄存器的位数有关。
存储容量： 包括主存容量和辅存容量（一般情况下辅存的容量都比较大，可以忽略。）
主存容量 = 存储单元个数 × 存储字长
存储单元个数与存储器地址寄存器（MAR）有关。存储字长与存储器数据地址寄存器（MDR）有关
运算速度: 1)MIPS:百万条指令每秒，指在单位时间内执行指令条数的平均值。
2）CPI：执行一条指令所需要的时钟周期，时钟周期等于主频的倒数。
3）IPC：在一个时钟周期内所能执行指令的条数。
4）Flops：浮点运算次数每秒
CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = 指令条数 * CPI /主频
1.6 计算机的应用
CAX: 统称为计算机辅助什么
| 技术 | 描述 |
|---|---|
| CAD | 计算机辅助设计 |
| CAM | 计算机辅助制造 |
| CAPP | 计算机辅助工艺规划 |
| CAE | 计算机辅助工程 |
| CAI | 计算机辅助教学 |
| CIMS | 计算机集成制造系统 |
| MIS | 企业的管理信息系统 |
| ERP | 企业资源计划 |
1.7 计算机的工作步骤
计算机的工作步骤可以简单的分为两步：
1. 上机前的准备： 包括三个方面，建立数学模型、确定计算方法、编制解题程序。
2. 上机运行： 输入计算机进行运行，查看结果。