1.計算機的分類

電子計算機從總體上分為兩大類

• 電子模擬計算機：“模擬”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數值由連續量來表示，運算過程也是連續的。

• 電子數字計算機：它是在算盤的基礎上發展起來的，是用數目字來表示數量的大小。數字計算機的主要特點是按位運算，並且不連續地跳動計算。

電子計算機兩大類的主要區別

電子計算機中的數字計算機再分類

數字計算機根據計算機的效率、速度、價格、執行的經濟性和適應性來劃分，可以劃分為兩類

• 專用計算機：專用機是最有效、最經濟和最快速的計算機，但是它的適應性很差。
• 通用計算機：通用計算機適應性很大，但是犧牲了效率、速度和經濟性。

電子計算機中的數字計算機的通用計算機的再分類

通用計算機根據體積、簡易性、功率損耗、效能指標、資料儲存容量、指令系統規模和機器價格等可以分為：

2.計算機發展簡史

計算機的五代變化

• 第一代為1946—1957年，電子管計算機：資料處理

• 第二代為1958—1964年，電晶體計算機：工業控制

• 第三代為1965—1971年，中小規模積體電路計算機：小型計算機

• 第四代為1972—1990年，大規模和超大規模積體電路計算機：微型計算機

• 第五代為1991年開始，巨大規模積體電路計算機：微控制器

半導體儲存器的發展

• 從1970年起，半導體儲存器經歷了11代：單個晶片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。
• 其中1K=210,1M=220,1G=230

微處理器的發展

• 1971年Intel公司開發出Intel 4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊晶片內的產品，於是，微處理器誕生了。
• 微處理器演變中的另一個主要進步是1972年出現的Intel 8008，這是第一個8位微處理器，它比4004複雜一倍。
• 1974年出現了Intel 8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設計的。8080是為通用微機而設計的中央處理器。
• 20世紀70年代末才出現強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。 這一發展趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發出了32位單片微處理器。
• Intel於1985年推出了32位微處理器Intel 80386。 到現在的64位處理器和多核處理器

計算機的效能指標

• 吞吐量：表徵一臺計算機在某一時間間隔內能夠處理的信 息量，單位是位元組/秒（B/S）。
• 響應時間： 表徵從輸入有效到系統產生響應之間的時間度 量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。
• 利用率： 表示在給定的時間間隔內，系統被實際使用的時 間所佔的比率，一般用百分比表示。
• 處理機字長： 指處理機運算器中一次能夠完成二進位制數運 算的位數。當前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。 字長越長，表示計算的精度越高。
• 匯流排寬度：一般指CPU中運算器與儲存器之間進行互連的內 部匯流排二進位制位數。
• 儲存器容量 ：儲存器中所有儲存單元的總數目，通常用KB、 MB、GB、TB來表示。 其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個位元組）。 儲存器容量越大，記憶的二進位制數越多。
• 儲存器頻寬 ：儲存器的速度指標，單位時間內從儲存器讀出的 二進位制數資訊量，一般用位元組數/秒錶示。
• 主頻/時鐘週期： CPU的工作節拍受主時鐘控制，主時鐘不斷 產生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是 MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz～ 266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。 主頻的倒數稱為CPU時鐘週期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納 秒。
• CPU執行時間 ：表示CPU執行一段程式所佔用的CPU時間，可用下 式計算： CPU執行時間 ＝ CPU時鐘週期數 × CPU時鐘週期長
• CPI ：表示每條指令週期數，即執行一條指令所需的平均時鐘週期數。用下式計算：

             CPI ＝  

•  MIPS ：表示每秒百萬條指令數，用下式計算：

             MIPS==

• Te：程式執行時間 Te ＝
• MFLOPS ：表示每秒百萬次浮點操作次數，用下式計算：

           MFLOPS ＝

3.計算機的硬體

數字計算機基本組成

現代的中央處理器也叫做CPU,包括了控制器、運算器、儲存器

• 控制器：人的大腦的操作控制功能
• 運算器：人的大腦的計算功能
• 儲存器：人的大腦記憶功能
• 輸入裝置：互動介面，筆
• 輸出裝置：互動介面，紙

1. 暫存器存在於CPU中，速度很快，數目有限；儲存器就是記憶體，速度稍慢，但數量很大；計算機做運算時，必須將資料讀入暫存器才能運算。
2. 儲存器包括暫存器,儲存器有ROM和RAM，暫存器只是用來暫時儲存,是臨時分配出來的,斷電,後,裡面的內容就沒了

馮·諾依曼型計算機 

• 儲存程式
• 按地址自動執行
• 五大部件：包括控制器、運算器、儲存器、輸入裝置、輸出裝置 以運算器為中心

運算器

• 算術運算和邏輯運算
• 在計算機中參與運算的數是二進位制的
• 運算器的長度一般是8、16、32或64位

1. 算術運算:用於各類數值運算。包括加(+)、減(-)、乘(*)、除(/)、求餘(或稱模運算，%)、自增(++)、自減(--)共七種。 2. 關係運算:用於比較運算。包括大於(>)、小於(<)、等於(= =)、大於等於(>=)、小於等於(<=)和不等於(!=)六種。 3. 邏輯運算:用於邏輯運算。包括與(&&)、或(||)、非(!)三種。 4. 位操作運算:參與運算的量，按二進位制位進行運算。包括位與(&)、位或(|)、位非(~)、位異或(^)、左移(<<)、右移(>>)六種。 5. 賦值運算:用於賦值運算，分為簡單賦值(=)、複合算術賦值(+=,-=,*=,/=,%=)和複合位運算賦值(&=,|=,^=,>>=,<<=)三類共十一種。 6. 條件運算:這是一個三目運算子，用於條件求值(?:)。 7. 逗號運算:用於把若干表示式組合成一個表示式(，)。 8. 指標運算:用於取內容(*)和取地址(&)二種運算。 9. 求位元組數運算:用於計算資料型別所佔的位元組數(sizeof)。 10. 特殊運算:有括號()，下標[]，成員(→，.)等幾種。 

儲存器

• 儲存資料和程式（指令）
• 容量（儲存單元、儲存單元地址、容量單位） 分類記憶體（ROM、RAM）、外存
• 儲存器單位： 1KB ＝ 2^10B 1MB ＝ 2^20B 1GB ＝ 2^30B 1TB ＝ 2^40B

控制器

• 指令和程式:指令的形式（操作和地址碼、儲存程式的概念、指令中程式和資料的存放、指令系統）
• 指令和資料儲存

控制器的基本任務

• 控制器的基本任務：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執行指令。取指週期和執行週期
• 控制器完全可以區分開哪些是指令字，哪些是資料字。一般來講，取指週期中從記憶體讀出的資訊流是指令流，它流向控制器；而在執行器週期中從記憶體讀出的資訊流是資料流，它由記憶體流向運算器。

介面卡與I/O裝置

• 輸入裝置：把人們所熟悉的某種資訊形式變換為機器內部所能接收和識別的二進位制資訊形式
• 輸出裝置：把計算機處理的結果變換為人或其他機器裝置所能接收和識別的資訊形式
• 介面卡：它使得被連線的外圍裝置通過系統匯流排與主機進行聯絡，以便使主機和外圍裝置並行協調地工作
• 匯流排：構成計算機系統的骨架，是多個系統部件之間進行資料傳送的公共通路。

總之，現代電子計算機是由運算器、儲存器、控制器、介面卡、匯流排和輸入/輸出裝置組成的。這也是人們常說的計算機硬體。

4.計算機系統的層次結構

五級計算機層次系統

• 第一級是微程式設計級。這是一個實在的硬體級，它由機器硬體直接執行微指令。如果某一個應用程式直接用微指令來編寫，那麼可在這一級上執行應用程式。
• 第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程式解釋機器指令系統。這一級也是硬體級。
• 第三級是作業系統級，它由作業系統程式實現。這些作業系統由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是作業系統定義和解釋的軟體指令，所以這一級也稱為混合級。
• 第四級是組合語言級，它給程式人員提供一種符號形式語言，以減少程式編寫的複雜性。這一級由彙編程式支援和執行。如果應用程式採用組合語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應用程式不採用匯編語言編寫，則這一級可以不要。
• 第五級是高階語言級，它是面向使用者的，為方便使用者編寫應用程式而設定的。這一級由各種高階語言編譯程式支援和執行。

本文內容出自：計算機組成原理（第五版）

作者：白中英、戴志濤