学习目标：

一周掌握计算机二级公共基础知识

学习内容：

1、计算机系统概述
2、计算机硬件系统

学习时间：

2021.1.28-2021.1.30

学习内容：

计算机作为一种现代化的信息处理工具，它的发明是20世纪重要的科学成就，作为第三次科技革命中信息控制技术革命的核心内容，它极大地改变了人类历史。

概述

计算机的发展历程

公认的第一台数字计算机ENIAC(electronic numerical integrator and computer)于1946年诞生美国宾夕法尼亚大学。ENIAC使用了18000个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，运行时耗电达140千瓦。该计算机每秒可计算5000次加法。自此以后，计算机以极高的速度发展。

计算机的发展一般分为四个阶段：
第一阶段（1946年—20世纪50年代后期）为电子管计算机时代；
第二阶段（20世纪50年代后期—20世纪60年代中期）为晶体管计算机时代；
第三阶段（20世纪60年代中期—20世纪70年代初期）为集成电路计算机时代；
第四阶段（20世纪70年代初至今）为大规模集成电路计算机时代。

计算机体系结构

在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John von Neumann,1903—1957年）为首的研制小组提出了“存储程序控制”的计算机结构，并开始了存储程序控制的计算机EDVAC的研制。由于种种原因，EDVAC直到1951年才问世。而吸收了冯·诺依曼的设计思想，由英国剑桥大学研制的EDSAC则先于EDVAC两年诞生，成为事实上的第一台存储程序的计算机（stored program computer）。
“存储程序”思想是冯·诺依曼等人在1946年6月首先提出来的，它可以简要地概括为以下几点。

计算机（指硬件）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；
计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
需将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

这就是存储程序思想的基本含义。冯·诺依曼系结构的计算机如图所示。

虽然计算机的发展速度是惊人的，但就其结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上。随着计算机技术的不断发展，也暴露出了冯·诺依曼型计算机的一些缺点。目前已出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机，统称为非冯·诺依曼结构计算机，如数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归纳计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。

计算机系统基本组成

一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。
    计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置，它们是由借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件所组成。直观地看，计算机硬件是一大堆设备，它是计算机进行工作的物质基础。
    计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序、数据以及有关的资料。所谓程序实际上是用于指挥计算机执行各种动作以便完成指定任务的指令集合。人们要让计算机做的工作可能是很复杂的，因而指挥计算机工作的程序也就可能是庞大而复杂的，而且可能要经常对程序进行修改与完善。此外，为了便于阅读和修改，还必须对程序做必要的说明，并整理出有关逇资料。这些说明和资料（称之为文档）在计算机执行过程中可能是不需要的，但对于人们阅读、修改、维护、交流这些程序却是必不可少的。
    一般计算机系统的组成构图如图所示。
    硬件系统也被称为裸机，裸机只能识别由0和1组成的机器代码。没有软件系统的计算机是无法工作的。计算机的功能不仅取决于硬件系统。而且在更大程度上是由所安装的软件系统所决定的。计算机系统中硬件系统和软件系统互相依赖，不可分割。
    软件系统是为了运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。
    计算机软件按照面向应用对象的不同主要分为系统软件和应用软件。
    系统软件是指控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的软件。
    系统软件的主要功能是调度、监控和维护计算机系统，合理分配系统资源，管理计算机系统中各独立硬件，使它们协调地工作，确保计算机正常高效地运行。
    系统软件主要包括操作系统（operating system，OS）、语言处理系统、数据库管理系统和系统辅助处理程序等。其中最主要的是操作系统，它提供了一个软件运行的环境。

计算机硬件系统

原始的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已转向以存储器为中心。计算机硬件系统主要包含中央处理器、内存储器（简称内存）和各种输入/输出设备，它们相互之间通过总线连接到一起。
    （1）中央处理器
    中央处理器主要包括运算器和控制器两个部件。运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算（即对数据进行加工处理）；控制器负责对程序所规定的指令进行分析，控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。
    （2）存储器
    负责存储程序和数据，并根据控制命令提供这些程序和数据。存储器又分为内存储器和外存储器（简称外存）。
    （3）输入设备
    负责把用户的信息（包括程序和数据）输入到计算机中。
    （4）输出设备
    负责将计算机中的信息（包括程序和数据）传送到外部媒介供用户查看或保存。
    由此可以看出，计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据的输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。

中央处理器

中央处理器简称处理器，也叫CPU（central processing unit），它是计算机系统的核心。
    CPU能与其他电路联合工作，比如与内存一起执行处理过程。CPU是计算机的“大脑”，它执行软件（程序）指令将数据加工成信息。CPU包括两部分：控制器与算术逻辑单元（即运算器），它们都包含寄存器或高速存储区域，并用一种叫作总线的电子线路连接起来。
    通常，运算器和控制器被合成在一起集成电路的芯片上，这就是人们常说的CPU芯片。
    （1）控制器
    控制器是整个计算机的控制中心和指挥中心。控制器（control unit，CU）解译存储在CPU中的指令，然后执行指令。它能指挥内存和运算器之间电信号的运转，它也能指挥内存和输入输出设备间的信号的运转。
    对于每个指令，控制单元都要执行4个基本操作：首先获取指令，
然后分析指令，再执行指令，最后存储结果。
    （2）运算器
    运算器（arithmetic logic unit，ALU）可以执行算术运算和逻辑运算，并能控制这些操作的速度。算术运算指的是基本的数学运算：加、减、乘、除。逻辑运算是指比较，就是说ALU可以比较两个数据间的关系，如等于、大于、大于或等于、小于、小于或等于、不等于。
    （3）寄存器
    控制器和运算器中都使用寄存器（registers），它是特殊的CPU区域，能提高计算机性能。寄存器是高速存储区域，可以在处理过程中临时存储数据。它们可以在分析指令的时候存储程序指令，可以在运算器处理数据的时候存储数据，或者存储计算结果。所有的数据在处理之前都存在寄存器中，比如要计算两个数的乘积，则将两个数全都放在寄存器中，计算结果也要放在一个寄存器中。
（寄存器中也可以存放存储数据的内存地址，而不是数据本身）。
    CPU中寄存器的数量和每个寄存器的大小（多少位）可以确定CPU的性能和速度。比如，一个32位的CPU是指CPU中的寄存器是32位的。所以，每个CPU指令可以处理32位的数据。寄存器的类型很多，包括指令寄存器、地址寄存器、存储寄存器和累加寄存器。
    （4）总线
    总线是在CPU内部以及在CPU和主板的其他部件之间传输信息的电子数据线路。总线就像是多车道的高速公路，通路越多，位的传输越快。早期微型处理器为8位总线，只有8条通道；而有32条通道的32总线，其数据传输宽度是8位总线计算机的4倍。Inter的Pentium（奔腾）芯片同Macintosh（麦金托什机）G5处理器一样都是64位处理器（一些型号的计算机中有两个处理器）。一些高性能计算机的处理器是128位的。
    CPU品质的高低直接决定了计算机系统的性能。反映CPU品质的最重要的指标是主频与字长。CPU工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率即（CPU的）主频。主频说明了CPU的工作速度：主频越高，CPU的运算速度就越快。字长是指CPU可以同时处理的二进制数据的位数。
    在执行指令过程中，CPU除访问内存之外，还可以通过总线访问各种输入输出设备。

计算机的基本工作原理

1、计算机指令格式
    计算机指令是能够被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某种操作。一条计算机指令通常由两部分组成：操作码和操作数（地址码），即一条计算机指令的结构。
    指令中的操作码指出该指令需要完成操作的类型或性质。例如，取数、加法、减法、输出等不同的操作具有不同的操作码。计算机就是根据一条指令的操作码来决定做什么样的操作。由于一条指令是二进制代码，因此，其中的操作码也是二进制码。对于一种类型的计算机来说，各种指令的操作码是互不相同的，它们分别表示不同的操作，因此，指令中操作码的二进制位数决定了该种计算机最多能具有的指令条数（即操作种类）。
    指令中的地址码用来描述该指令的操作对象，或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址（即寄存器名）。根据指令中操作数的性质，操作数又可以分为源操作数和目的操作数两类。例如，在一般的加法指令中操作数，其中加数和被加数为源操作数，计算结果（即它们的和）为目的操作数。在大多数情况下（即在大多数指令中），指令中给出的操作数一般是存放数据的地址，而并不是具体数据本身，甚至在有些指令中实际上给出的只能是地址而不是数据，例如，在转移指令中，除了操作码（指出需要转移）以外，还需要指出转移到什么地方，在这种情况下，实际给出的是地址。因此，指令中的操作数一般又称为地址码。每条指令的地址码个数是不一样的。要视具体的操作需要。当然，在有的指令中只有操作码而没有地址码，这种指令往往只需要指出做什么操作，而不需要具体的操作数，例如暂停指令、停机指令等。

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概述

计算机的发展历程

计算机体系结构

计算机系统基本组成

计算机硬件系统

中央处理器

计算机的基本工作原理

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