做企业网站软件,网站代码优化调整,邯郸公司网站建设,企业服务包括哪些目录前言一、计算机的发展历程1. 计算机发展的四代变化2. 计算机元件的更新换代3. 计算机软件的发展二、计算机系统层次结构1. 计算机系统的组成2. 冯诺依曼体系结构3. 计算机的功能部件1. 输入设备2. 输出设备3. 存储器4. 运算器5. 控制器三、 分析计算机各个部件在执行代码中…
目录前言一、计算机的发展历程1. 计算机发展的四代变化2. 计算机元件的更新换代3. 计算机软件的发展二、计算机系统层次结构1. 计算机系统的组成2. 冯诺依曼体系结构3. 计算机的功能部件1. 输入设备2. 输出设备3. 存储器4. 运算器5. 控制器三、 分析计算机各个部件在执行代码中的过程重难点四、计算机系统的层次结构五、计算机的性能指标前言 本文主要包含以下内容计算机发展历程及计算机的系统层次结构计算机系统的基本组成和计算机硬件的基本组成计算机硬件和软件的关系计算机系统的工作原理和计算机的性能指标 一、计算机的发展历程
1. 计算机发展的四代变化
计算机的发展过程经理四个时代电子管时代晶体管时代中小规模集成电路时代超大规模集成电路时代。
电子管时代逻辑元件采用电子管使用机器语言进行编程存储的容量小体积大成本高运算速度慢。晶体管时代逻辑元件采用晶体管运算速度相比于电子管时代的计算机提高一点此时开始出现高级语言和编译程序有了操作系统的雏形。中小规模集成电路时代逻辑元件采用中小规模集成电路高级语言发展迅速开始有了分时操作系统。超大规模集成电路时代逻辑元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路产生了微处理器CPU产生了并行、流水线、高速缓存和虚拟存储器等概念。
2. 计算机元件的更新换代
摩尔定律当价格不变时集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月就会增加一倍性能也会提升一倍。半导体存储器的发展微处理器的发展微处理器从刚开始只能处理8位发展到现在能够处理64位这里的位指的是机器字长也就是计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数例如像处理一个整数我们知道一个整数是4个字节也就是8个比特位那么如果采用刚开始的处理器因为那时候的处理器一次只能处理8个比特位所以那个时候的处理器处理一个整数需要4次现在的处理器一次能够处理64个比特位所以现在的处理器来处理一个整数一次就能够处理完毕。
3. 计算机软件的发展
计算机语言从刚开始的机器语言逐渐发展产生了汇编语言和面向对象的高级语言可见其发展是非常迅速的。
二、计算机系统层次结构
1. 计算机系统的组成
计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的。
硬件系统能够实际摸得着的那些东西比如常见输入输出设备存储器运算器和控制器这五大部件也是后面冯诺依曼体系结构中的重要组成部分。软件系统包括常见的使用高级语言编写而形成的软件其能够让硬件完成对应的工作 计算机性能的好坏很大程度是取决于软件的但是软件的运行又离不开硬件硬件和软件其实对于实现某一个逻辑具有等效的作用但是使用硬件和使用软件来完成的成本和效率是不一样的其中如果使用软件来完成逻辑运行的话就是效率低成本低使用硬件来完成对应的逻辑运算的话就是效率高成本高。比如如果我们要完成一个乘法计算那么对于硬件我们只需要实现一个乘法指令成本高让硬件进行计算即可效率高但是采用软件的话就只能进行多次相加所以显然效率就会比较低但是成本也低 2. 冯诺依曼体系结构
早期的冯诺依曼体系结构 早期的计算机中的结构是按照上面的结构实现的数据经过输入设备之后是将数据传送到运算器然后再由运算器将数据输送到存储器这个结构是以运算器为中心的这个过程中效率就会相对比较慢了所以后期的计算机中的结构做出了修改 后期的冯诺依曼体系结构 后期的计算机中数据经输入设备之后是直接到达存储器然后需要运算的时候再将数据传送给运算器进行运算。所以这个结构是以存储器为中心的。
存储程序将事先编制好的程序和原始数据送入主存内存后才能执行CPU执行一旦程序被启动就无需操作人员干预计算机会自动逐条执行指令直到程序运行结束。存储程序相比于原始的计算机所具有的优点不需要人为进行干预从而提高了计算机运行的效率。冯诺依曼体系计算机的特点
采用存储程序的工作方式计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备构成指令和数据以同等地位存储在存储器中形式上没有区别但是计算机能够对它们进行区分指令和数据均以二进制的形式进行表示。指令是由操作码和地址码组成其中操作码指出操作的类型就是告诉CPU这条指令需要执行什么操作比如加法操作和减法操作。地址码是指出操作数的地址就是告诉CPU这个要去哪里找这个指令运算对应的操作数。
3. 计算机的功能部件
前面我们知道冯诺依曼体系结构中包含五大部件输入设备输出设备存储器运算器和控制器。下面我们将逐一介绍其中的原理
1. 输入设备
输入设备的主要作用就是将程序和数据以计算机能够识别的机器语言形式输入给计算机最常用的输入设备键盘鼠标扫描仪摄像机
2. 输出设备
输出设备的主要功能就是将计算机处理的结构以人类能够识别的形式输出。最常用的输出设备显示器、打印机。
3. 存储器
存储器包括两类基本的存储器主存储器和辅助存储器
主存储器指内存就是CPU能够直接访问的存储器一般大小为8GB或者16GB辅助存储器CPU不能直接访问的存储器主要的任务是帮助主存储器存储更多信息因为CPU无法直接访问这里的信息所以当这些信息需要被执行的时候需要先将这些信息调入内存才能被执行。常见的辅助存储器比如电脑中的磁盘手机的SD卡U盘之类的存储器。按地址存取方式主存储器的工作方式是按照存储单元的地址进行存取的这里的存储单位主存储器一般会被划分为很多个小的存储单元每一个单元从头到尾依次会进行编号每一个存储单元对应的编号就是这个存储单元对应的地址。 主存储器中主要包含存储体、地址寄存器(MAR)和数据寄存器(MDR)存储体存储体会被分成很多个存储单元数据在存储体中是按照地址进行存取的存储单元中包含很多个存储元件每一个存储元件存储一个二进制的1或者0所以一个存储单元存储的是一串二进制数的序列我们将这串二进制序列称为存储字这串二进制序列的二进制位数称为存储字长。地址寄存器(MAR)存放的是数据在存储体中的地址形式为二进制。其中地址寄存器有几位对应的存储体中就有2的几次方个存储单元。如一个主存储器中的地址寄存器有8位那么这个主存储器中的存储体就被分成2^8个存储单元。数据寄存器(MDR)存放的是写入存储体中的数据或者即将从存储体中读出的数据位长为存储字的长度(一次只能存储一个数据)。
需要注意的是地址寄存器(MAR)和数据寄存器(MDR)虽然是存储器的一部分但是在现代计算机中却是存在于CPU中的。
4. 运算器
运算器是计算机中的执行部件用于进行算数运算和逻辑运算
算数运算按照算数运算规则进行的运算如加、减、乘、除逻辑运算按照逻辑进行的运算如与、或、非、异或、比较、移位 运算器中包含很多个寄存器主要用于暂时存储操作数和中间结果如累加器(ACC)乘商寄存器(MQ)**操作数寄存器(X)**等其中这三个是运算器中必须具备的寄存器。
累加器(ACC)存放操作数或运算结果乘商寄存器(MQ)在乘除时存放操作数或运算结果操作数寄存器(X)存放操作数算术逻辑单元(ALU)通过内部实现的复杂的电路来实现算数运算和逻辑运算
5. 控制器
控制器是计算机的指挥中心计算机中主要是由控制器指挥各个部件自动协调地工作。控制器主要由控制单元(CU)指令寄存器(IR)**程序计数器(PC)**组成
控制单元(CU)分析指令给出控制信号指令寄存器(IR)存放当前执行的指令程序计数器(PC)存放下一条执行指令的地址有自动加1的功能1是指一条指令的长度即可以自动形成下一条指令的地址它和主存中的MAR有一条直接的通路。
三、 分析计算机各个部件在执行代码中的过程重难点
任何一条执行的执行都要经历三个步骤取指令分析指令执行指令 下面以一个具体的例子来介绍这个过程 比如我们要让计算机执行上面的代码上面的代码逻辑非常简单就是先执行ab,再执行abc然后讲结果放在y中。其中对应的数据有a,b,c,y 首先需要将对应的指令和数据存入主存储器的存储体中存储的过程是按照存储单元的地址进行存储的存储的形式是二进制如下
执行第一条指令
取指令刚开始PC寄存器中存储的是第一条指令的地址此时会将PC中存储的指令地址传给地址寄存器(MAR)然后PC指向下一条指令此时MAR中对应的值为0然后再到存储体中取出地址为0的存储单元中的数据指令放入数据寄存器(MDR)然后再将数据寄存器中的指令传给指令寄存器(IR)此时IR会将指令分为两个部分操作码和地址码操作码会交给控制单元(CU)进行分析地址码会交给地址寄存器(MAR)。分析指令控制单元经分析得出该指令想要执行的操作是取数操作。执行指令通过MAR中存储的地址到存储体相应的位置取出对应的数据放在数据寄存器(MDR)中所以此时MDR中存放的值为a 2再将2的值放入累加寄存器(ACC) 具体过程如下
执行第二条指令
取指令第一条指令执行结束之后PC指向的指令是第二条指令此时将PC中存放的指令地址传给MARPC再指向下一条指令此时MAR存放的是第二条指令的地址因此到存储体中该地址处找到存储的数据第二条指令并将该指令放到MDR中此时数据寄存器MDR将该指令交给指令寄存器IR分析指令IR将该指令分成两个部分操作码和地址码操作码交给控制单元(CU)地址码交给地址寄存器(MAR)CU经分析得知该指令想要执行乘法操作执行指令到存储体中MAR中存储的地址对应的存储单元处找到对应的数据并将该数据放入数据寄存器(MDR)再将该数据输出到乘商寄存器(MQ)中此时累加寄存器(ACC)中存放的是a的值MQ中存放的是b的值再将累加寄存器中的值放入通用寄存器(X)中此时控制单元向算数逻辑单元(ALU)发送信号执行乘法操作将X中存储的值和MQ存储的值进行相乘再将数据存到累加寄存器(ACC)中。 具体过程如下
执行第三条指令
取指令第二条指令执行结束之后PC指向的指令是第三条指令此时将PC中存放的指令地址传给MARPC再指向下一条指令此时MAR存放的是第三条指令的地址因此到存储体中该地址处找到存储的数据第三条指令并将该指令放到MDR中此时数据寄存器MDR将该指令交给指令寄存器IR分析指令IR将该指令分成两个部分操作码和地址码操作码交给控制单元(CU)地址码交给地址寄存器(MAR)CU经分析得知该指令想要执行加法操作执行指令到存储体中MAR中存储的地址对应的存储单元处找到对应的数据并将该数据放入数据寄存器(MDR)再将该数据输出到通用寄存器(X)中此时累加寄存器(ACC)中存放的是a*b的值通用寄存器中存储的是c的值此时控制单元向算数逻辑单元(ALU)发送信号执行加法操作将ACC中存储的值和X中存储的值进行相加再将数据存到累加寄存器(ACC)中。 具体过程
执行第四条指令
取指令第三条指令执行结束之后PC指向的指令是第四条指令此时将PC中存放的指令地址传给MARPC再指向下一条指令此时MAR存放的是第四条指令的地址因此到存储体中该地址处找到存储的数据第四条指令并将该指令放到MDR中此时数据寄存器MDR将该指令交给指令寄存器IR分析指令IR将该指令分成两个部分操作码和地址码操作码交给控制单元(CU)地址码交给地址寄存器(MAR)CU经分析得知该指令想要执行存数操作执行指令将累加寄存器(ACC)中存储的数据放入数据寄存器(MDR)中通过数据寄存器MAR中存储的地址找到存储体中对应的存储单元此时将MDR中存储的数据放入这个存储单元即可。 具体过程
执行第五条指令
取指令第四条指令执行结束之后PC指向的指令是第五条指令此时将PC中存放的指令地址传给MARPC再指向下一条指令此时MAR存放的是第五条指令的地址因此到存储体中该地址处找到存储的数据第五条指令并将该指令放到MDR中此时数据寄存器MDR将该指令交给指令寄存器IR分析指令IR将该指令分成两个部分操作码和地址码操作码交给控制单元(CU)地址码交给地址寄存器(MAR)CU经分析得知该指令想要执行停机操作执行指令利用操作系统中学习的中断处理机制结束该进程 具体过程
四、计算机系统的层次结构
五、计算机的性能指标
