计算机系统的发展史、基本组成、工作原理
文章目录
1 计算机的发展史
1.1 第一台通用电子计算机的诞生
1946年，第1台通用电子计算机 ENIAC诞生：
- 由电子真空管组成
- 美国宾夕法尼亚大学研制
- 用于解决复杂弹道计算问题
- 5000次加法/s –平方、立方、sin、cos等
- 用十进制表示信息并运算
- 采用手动编程，通过设置开关和插拔电缆来实现
Electronic Numerical Integrator And Computer：电子数字积分计算机。
1.2 冯诺依曼的故事
- 1944年，冯·诺伊曼参加原子弹的研制工作，涉及到极为困难的计算。
- 1944年夏的一天，诺伊曼巧遇美国弹道实验室的军方负责人戈尔斯坦，他正参与ENIAC的研制工作。
- 冯·诺依曼被戈尔斯坦介绍加入ENIAC研制组，1945年，他们在共同讨论的基础上，冯·诺伊曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告，发表了全新的“存储程序通用电子计算机方案”。
- 一向专搞理论研究的普林斯顿高等研究院批准让冯·诺依曼建造计算机，其依据就是这份报告。
- Electronic Discrete Variable Automatic Compute（电子离散变量自动计算）。
1.3 现代计算机的原型
1946年，普林斯顿高等研究院（the Institute for Advance Study at Princeton，IAS ）开始设计“存储程序”计算机，被称为IAS计算机（1951年才完成，并不是第一台存储程序计算机，1949年由英国剑桥大学完成的EDSAC是第一台）。
- 在那个报告中提出的计算机结构被称为冯·诺依曼结构。
- 冯·诺依曼结构最重要的思想是“存储程序(Stored-program)”工作方式：任何要计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。
- 冯·诺依曼结构计算机也称为冯·诺依曼机器（Von Neumann Machine）。
- 几乎现代所有的通用计算机大都采用冯·诺依曼结构，因此，IAS计算机是现代计算机的原型机。
IAS计算机结构大致如下：
- 应该有个主存，用来存放程序和数据。
- 应该有一个自动逐条取出指令的部件。
- 还应该有具体执行指令（即运算）的部件。
- 程序由指令构成。
- 指令描述如何对数据进行处理。
- 应该有将程序和原始数据输入计算机的部件。
- 应该有将运算结果输出计算机的部件。
2 冯·诺依曼结构
2.1 冯·诺依曼结构计算机模型
早期，部件之间用分散方式相连。现在，部件之间大多用总线方式相连。
2.2 冯·诺依曼结构的主要思想
- 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。
- 各基本部件的功能是：
- 存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；
- 控制器应能自动取出指令来执行；
- 运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；
- 操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信。
- 内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一串指令组成程序。
- 采用“存储程序”工作方式。
3 现代计算机结构
3.1 现代计算机结构模型
计算机中最基本的部件：
- CPU：中央处理器；
- PC：程序计数器；
- MAR：存储器地址寄存器；
- ALU：算术逻辑部件；
- IR：指令寄存器；
- MDR：存储器数据寄存器；
- GPRs：通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早期就是累加器）。
3.2 计算机是如何工作的
类似“存储程序”工作方式。
先想象一下妈妈是怎样做一桌你喜欢（指定）的菜的？
- 厨房-CPU，你妈-控制器，盘-GPRs，锅灶等-ALU ，架子-存储器。
做菜前：
- 原材料（数据）和菜谱（指令）都按序放在厨房外的架子（存储器）上， 每个架子有编号（存储单元地址）。
- 菜谱上信息：原料位置、做法、做好的菜放在哪里等
- 例如，把10、11号架上的原料一起炒，并装入3号盘
- 然后，我告诉妈妈从第5个架上（起始PC=5）指定菜谱开始做
开始做菜：
- 第一步：从5号架上取菜谱（根据PC取指令）
- 第二步：看菜谱（指令译码）
- 第三步：从架上或盘中取原材料（取操作数）
- 第四步：洗、切、炒等具体操作（指令执行）
- 第五步：装盘或直接送桌（回写结果）
- 第六步：算出下一菜谱所在架子号6=5+1（修改PC的值）继续做下一道菜（执行下一条指令）。
类似的，计算机工作方式如下：
程序由指令组成（菜单由菜谱组成）。
程序在执行前：
- 数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段组成，程序起始地址置PC（原材料和菜谱都放在厨房外的架子上， 每个架子有编号。妈妈从第5个架上指定菜谱开始做）
开始执行程序：
- 第一步：根据PC取指令（从5号架上取菜谱）
- 第二步：指令译码（看菜谱）
- 第三步：取操作数（从架上或盘中取原材料）
- 第四步：指令执行（洗、切、炒等具体操作）
- 第五步：回写结果（装盘或直接送桌）
- 第六步：修改PC的值（算出下一菜谱所在架子号6=5+1）继续执行下一条指令（继续做下一道菜）
3.3 计算机的基本组成与基本功能
什么是计算机：
- 计算机是一种能对数字化信息进行自动、高速算术和逻辑运算的处理装置。
计算机的基本部件及功能：
- 运算器（数据运算）：ALU、GPRs、标志寄存器等
- 存储器（数据存储）：存储阵列、地址译码器、读写控制电路
- 总线（数据传送）：数据(MDR)、地址(MAR)和控制线
- 控制器（控制）：对指令译码生成控制信号
计算机实现的所有任务都是通过执行一条一条指令完成的！
4 指令和数据
程序启动前：
- 指令和数据都存放在存储器中，形式上没有差别，都是0/1序列。
采用”存储程序“工作方式：
- 程序由指令组成，程序被启动后，计算机能自动取出一条一条指令执行，在执行过程中无需人的干预。
指令执行过程中：
- 指令和数据被从存储器取到CPU，存放在CPU内的寄存器中，指令在IR中，数据在GPR中。
指令中需给出的信息：
- 操作性质（操作码）
- 源操作数1 或/和 源操作数2 （立即数、寄存器编号、存储地址）
- 目的操作数地址 （寄存器编号、存储地址）
- 存储地址的描述与操作数的数据结构有关！
参考资料：