1.1 计算机发展历程

计算机的发展阶段

计算机的发展可以按照所使用的电子器件分为五代：

第一代：电子管计算机（1946-1957）

主要特点：

• 逻辑元件：电子管
• 存储器：磁鼓、磁芯
• 软件：机器语言、汇编语言
• 应用：科学计算

代表机型：ENIAC（世界上第一台电子计算机，1946年）

缺点：

• 体积大、功耗高、可靠性差
• 运算速度慢（每秒几千次到几万次）
• 价格昂贵

第二代：晶体管计算机（1958-1964）

主要特点：

• 逻辑元件：晶体管
• 存储器：磁芯
• 软件：高级语言（FORTRAN、COBOL）、操作系统
• 应用：科学计算、数据处理

改进：

• 体积减小、功耗降低、可靠性提高
• 运算速度提高（每秒几十万次）

第三代：集成电路计算机（1965-1970）

主要特点：

• 逻辑元件：中小规模集成电路（SSI、MSI）
• 存储器：半导体存储器
• 软件：操作系统、高级语言
• 应用：科学计算、数据处理、过程控制

改进：

• 体积进一步减小
• 运算速度大幅提高（每秒几百万次）
• 可靠性显著提高

第四代：大规模集成电路计算机（1971-至今）

主要特点：

• 逻辑元件：大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）
• 存储器：半导体存储器
• 软件：数据库、网络、人工智能
• 应用：各个领域

代表：

• 1971年：Intel 4004（第一个微处理器）
• 1981年：IBM PC（个人计算机）

特点：

• 微型化、价格低廉
• 运算速度极快（每秒几亿次到几万亿次）
• 应用广泛

第五代：人工智能计算机（研究中）

目标：

• 具有推理、联想、学习功能
• 能够理解自然语言、图像、声音
• 具有智能

计算机的分类

1. 按用途分类

通用计算机

适用于各种应用领域，如个人计算机、服务器。

专用计算机

为特定目的设计，如工业控制计算机、嵌入式系统。

2. 按性能分类

• 超级计算机：运算速度最快，用于科学计算
• 大型计算机：处理能力强，用于大型企业
• 小型计算机：中等处理能力
• 微型计算机：个人计算机、工作站
• 嵌入式计算机：嵌入到其他设备中

计算机的性能指标

1. 机器字长

计算机一次能处理的二进制数据的位数。

常见字长：8位、16位、32位、64位

影响
字长越长，计算精度越高，处理能力越强。

2. 存储容量

存储器能存储信息的总字节数。

$$存储容量 = 存储单元个数 \times 存储字长$$

单位：

• 1 KB = $2^{10}$ B = 1024 B
• 1 MB = $2^{20}$ B
• 1 GB = $2^{30}$ B
• 1 TB = $2^{40}$ B

3. 运算速度

MIPS（Million Instructions Per Second）

每秒执行百万条指令数。

$$MIPS = \frac{指令条数}{执行时间 \times 10^6}$$

MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second）

每秒执行百万次浮点运算数。

CPI（Cycles Per Instruction）

执行一条指令所需的时钟周期数。

$$CPI = \frac{执行某段程序所需的时钟周期数}{程序包含的指令条数}$$

IPC（Instructions Per Cycle）

每个时钟周期执行的指令条数。

$$IPC = \frac{1}{CPI}$$

4. 主频与时钟周期

主频（时钟频率）：CPU 的工作频率，单位 Hz。

$$主频 = \frac{1}{时钟周期}$$

时钟周期：CPU 的基本时间单位。

5. CPU 执行时间

$$CPU执行时间 = CPU时钟周期数 \times 时钟周期$$ $$= \frac{指令条数 \times CPI}{主频}$$

示例计算

某计算机主频为 2 GHz，执行某程序需要 1000 万条指令，平均 CPI 为 2，求 CPU 执行时间。

解：

$$CPU执行时间 = \frac{指令条数 \times CPI}{主频}$$ $$= \frac{10^7 \times 2}{2 \times 10^9} = 0.01 秒 = 10 毫秒$$

计算机系统的层次结构

1. 硬件层

物理设备，包括 CPU、内存、I/O 设备等。

2. 微程序层

由微指令组成，实现机器指令。

3. 机器语言层

由机器指令组成，可被硬件直接执行。

4. 操作系统层

管理硬件资源，为用户提供接口。

5. 汇编语言层

用助记符表示机器指令。

6. 高级语言层

用高级语言编写程序，如 C、Java、Python。

7. 应用层

各种应用软件。

冯·诺依曼计算机

冯·诺依曼体系结构的特点

1. 计算机由五大部件组成：

   • 运算器（ALU）
   • 控制器（CU）
   • 存储器（Memory）
   • 输入设备（Input）
   • 输出设备（Output）

2. 指令和数据以同等地位存储在存储器中，可按地址寻访。

3. 指令和数据均用二进制表示。

4. 指令由操作码和地址码组成。

5. 存储程序：程序预先存入存储器，计算机自动执行。

6. 以运算器为中心：输入输出设备通过运算器与存储器传送数据。

冯·诺依曼瓶颈

由于 CPU 和存储器之间的数据传输速度远低于 CPU 的处理速度，导致 CPU 经常处于等待状态。

解决方法：

• 增加 Cache（高速缓存）
• 提高总线带宽
• 采用多级存储体系

现代计算机的组成

以存储器为中心

现代计算机改进了冯·诺依曼结构，采用以存储器为中心的结构：

• CPU：包括运算器和控制器
• 主存储器：存储程序和数据
• I/O 设备：输入输出设备
• 总线：连接各部件

计算机硬件框图

┌─────────┐
│   CPU   │
│ ┌─────┐ │
│ │ ALU │ │
│ └─────┘ │
│ ┌─────┐ │
│ │ CU  │ │
│ └─────┘ │
└────┬────┘
     │
  ┌──┴──┐
  │总线 │
  └──┬──┘
     │
┌────┴────┬────────┬────────┐
│  主存   │ I/O设备│ I/O设备│
└─────────┴────────┴────────┘

本节小结

• 计算机发展经历了五代，从电子管到大规模集成电路
• 计算机性能指标包括字长、存储容量、运算速度等
• 冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础
• 现代计算机采用以存储器为中心的结构
• 理解计算机的层次结构有助于学习计算机组成原理

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下一节： 1.2 计算机系统的组成