计算机原理 - 第一章 绪论

计算机发展史

1936年，英国科学家阿兰•图灵发表了《论可计算数及其在判定问题上的应用》的论文，提出了图灵机模型，将计算定义为机械的过程。

1945年，美籍的匈牙利科学家冯•诺伊曼发表了《First Draft of a Report on the EDVAC》的技术报告，提出了计算装置的体系结构模型。核心是存储程序原理。

计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好、用以描述计算机解题过程的程序如同数据一样，采用二进制形式存储在机器中，计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行。

1、采用二进制表示机器指令和数据
2、硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成
3、程序和数据预先存放在存储器中，按地址访问存储器
4、操作时根据程序中指令的执行顺序，从存储器中取出指令或数据，由控制器解释执行、运算器完成运算 

1964年，IBM推出系列IBM 360大型机，共用代号为OS/360操作系统。首次出现虚拟机、中断、分时、进程等概念。多道程序使多个用户能够共享使用计算机。

1996年，IBM公司的超级计算机“深蓝”战胜国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫；

2016年，谷歌旗下的 AlphaGo以4：1战胜世界围棋冠军、韩国职业九段选手李世石。

 

计算机概述

软硬件层次化结构隐藏低层层次的实现细节，简化各层次上用户的使用。

CPU负责执行程序。它分为控制单元和数据通路，前者对指令进行译码，产生控制信号，后者完成指令的执行。

输入输出系统负责各种信息的输入/输出。

总线用于各功能部件之间的连接。

存储器负责存储程序和数据，存储层次结构如下图所示。

摩尔定律：在价格不变的情况下，每18个月芯片上晶体管数目翻倍，性能也提升一倍。

 

计算机性能评价

响应时间(response time)：完成单个任务所需的总时间。包括执行时间(execution time)和等待时间或时延(latency)。

吞吐率(throughput)：单位时间内所完成的任务量。不可以超过带宽（最大允许的流量）。

通常用程序的执行时间来表示计算机的性能。即完成同样工作量所需时间最短的那台计算机性能最好。

通常把用户感觉到的响应时间分成：
 CPU时间：CPU真正花费在程序执行上的时间。包括：
     用户CPU时间：用来运行用户代码的时间
     系统CPU时间：为执行用户程序而需运行一些操作系统代码的时间
 其他时间：等待I/O操作完成或CPU花在其他用户程序的时间

时钟周期：所有计算机都有一个固定频率的硬件时钟，决定了各种硬件事件发生和执行时间和顺序。

该公式必考计算题。

单靠CPI是不能反映CPU性能的，如：单周期处理器CPI = 1，但性能差。

提高计算机性能的主要途径有
1、提高时钟频率
2、优化处理器中数据通路结构以降低CPI
3、用编译优化措施来减少指令条数或降低指令复杂度
 

注：天河二号蝉联六届TOP500榜首——世界首次六连冠

参考教材：

《Computer Organization and Design—The Hardware/ Software Interface》 (Fifth Edition) ，2014

《计算机组成原理与设计》机械工业出版社，2005