画硬件架构图 工具 硬件框图

简介

软硬件

• 计算机的软硬件概念

• 硬件：计算机的实体，如主机、外设等
• 软件：由具有各类特殊功能的信息（程序）组成

• 软件

• 系统软件：用来管理整个计算机系统

• 语言处理程序
• 操作系统
• 服务性程序
• 数据库管理系统
• 网络软件

• 应用软件：按任务需要编制成的各种程序

• 简单的一个层次结构

层次结构

基本组成

冯诺依曼机

• 特点

• 计算机由五大部件组成
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
• 指令和数据用二进制表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 存储程序
• 以运算器为中心

• 硬件框图

计算机硬件框图

• 以存储器为中心的计算机硬件框图
• 现代计算机硬件框图

• 主机

• CPU

• 运算器：ALU
• 控制器：CU

• 存储器

• 主存
• 辅存

• IO设备

• 输入设备
• 输出设备

工作步骤

计算 $ax^2$

元件介绍

• 存储器基本组成：

• 存储体

• 存储单元：存放一串二进制代码
• 存储字：存储单元中二进制代码的组合
• 存储字长：存储单元中二进制代码的位数，每个存储单元赋予一个地址号
• 按地址寻访

• MAR（memory data register主存数据寄存器）

• 存储器地址寄存器反映存储单元的个数

• MDR（memory address register主存地址寄存器）

• 存储器数据寄存器反映存储字长

• 运算器的基本组成：

• 加法操作过程
• 减法操作过程
• 乘法操作过程
• 除法操作过程

• 控制器的基本组成：

• 取指令：PC

• PC 存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC ）+ 1 PC

• 分析指令：IR

• IR 存放当前欲执行的指令

• 执行指令：CU

完成一条指令过程

• 取数指令
• 存数指令

$ax^2$

• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址 -> PC
• 取指令 MAR -> M-> MDR-> IR
• 分析指令 OP(IR) -> CU
• 执行指令：执行指令 Ad(IR) -> MAR -> M -> MDR -> ACC
  …
• 打印结果
• 停机

技术指标

机器字长

• CPU 一次能处理数据的位数
• 与 CPU 中的 寄存器位数 有关

运算速度

• 主频
• 核数，每个核支持的线程数
• FLOPS 每秒浮点运算次数
• MIPS 每秒执行百万条指令
• CPI 执行一条指令所需时钟周期数

存储容量

（存放二进制信息的总位数）

• 主存容量

• 存储单元个数（$2^{MAR}$

• 辅存容量

发展史

世界上第一台电子计算机

• 美国 ENIAC (1946)，1955年退役
• 用手工搬动开关和拔插电缆来编程

硬件技术

微型计算机出现和发展

• 趋势
• Intel 公司

Moore 定律

• 微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番

展望

计算机具有类似人脑的一些超级智能功能

• 要求计算机的速度要足够快

芯片集成度受以下三方面的限制

• 芯片集成度受物理极限的制约
• 按几何级数递增的制作成本
• 芯片的功耗、散热、线延迟

替代传统的硅芯片

• 光计算机

• 利用光子取代电子进行运算和存储

• DNA 生物计算机

• 通过控制DNA 分子间的生化反应

• 量子计算机

• 利用原子所具有的量子特性