摘 要

本文主要介绍了现代计算机系统的发展过程，并通过对计算机的学习与研究，从几个方面介绍了简单计算机系统的设计与优化。首先，本文介绍了一个简单计算机系统的编译语言OSIAC，通过对二进制机器码的简单编译，我们可以制作出一个简易的计算机系统。完成OSIAC的指令编译之后，我们将对其进行进一步的修改和优化。在修改的过程中，我们将进一步介绍OSIAC计算机系统的优化方式。第二，我们将对流水线法（pipelining）优化计算机系统进行详细的介绍，流水线法设计计算机系统是现在计算机优化的普遍方式。通过对计算机系统的设计，化简的介绍，我们将对计算机有进一步的了解，这也将为我们今后的计算机学习和研究打下坚实的基础。

关键词：计算机系统，优化，OSIAC，机器码，流水线法

Abstract：

In this article, we introduce the history and the development of the computer system. Through the study and the research of the computer, we introduce the design and the optimization of the easy compter system. First, this article introduces a kind of machine code of the easy computer system OSIAC, through the decode of the 2 bit machine code, we can develop a relatively easy computer system. After finish decoding, we need to make some change for the optimization and improvement. During the process, we are going to introduce the way for optimizing the computer system deeper. Second, this article is going to indroduce “pipelining” to optimize the computer system. This is a popular and also the important way to design the computer system. Through the the introduction of the design and the optimization of the computer, we are bound to have a deeper understanding of the computer system, and this is helpful for out future study and research of the computer.

Key words: computer system, optimize, OSIAC, machine code, pipelining

目录

第一章 绪论6

1.1关于计算机系统的发展概述6

1.1.1第一代计算机7

1.1.2第二代计算机7

1.1.3第三代计算机7

1.1.4第四代计算机7

1.1.5第五代计算机8

1.2关于机器码的简单介绍8

第二章 OSIAC9

2.1 OSIAC的构成9

2.2 OSIAC工作原理说明9

2.2.1地址模式10

2.2.2指令11

2.2.3控制行14

2.2.4操作规则16

2.3 OSIAC结构图17

2.4 OSIAC的设计17

2.5 OSIAC的优化19

第三章 流水线法20

3.1流水线法的介绍20

3.2流水线法的工作原理23

3.3流水线法带来的影响25

第四章 总结26

参考文献27

附录129

附录263

致谢89

第一章 绪论

1.1关于计算机系统的发展概述

在现代社会中，没有什么东西比计算机更好的体现社会和科技的发展了。计算机已经完完全全渗透到我们社会的各个方面。如今的电脑做更多的不是简单地计算：在超市，计算机进行着扫描计算，同时保证着商店库存和我们的购物的平衡。在日常通信中，计算机保证着程控电话交换中心的正常运行和来往呼叫。在银行，计算机系统控制着自动存取款机，让我们在世界上几乎任何地方进行银行交易……所有的这些，在现如今的社会都有计算机进行控制，可以设想一下，没有了计算机，人类的生活将会是怎么样的。要充分理解和计算机对人类社会的影响，我们必须先了解计算机的发展历史。

最早的计算机被称为算盘，其约5000年前出现在小亚细亚，今天仍然在被使用。算盘可以被认为是世界上第一台简易计算机。此设备允许用户使用的滑动布置在机架上的珠子的系统来完成计算。早期的商人用算盘来保持贸易的交易，但随着使用纸张和铅笔发展，特别是在欧洲，算盘失去了它的重要性。算盘被沿用了近12个世纪。它对下一个更为先进的计算设备的发展打下了基础。1642年，帕斯卡发明了他所谓的数字轮计算器来帮助他的父亲完成他的工作。这个长得先黄铜矩形框一样的东西，也称为帕斯卡利娜，使用了8个可动拨号。帕斯卡的装置中使用十进制来完成，例如，一个拨号移动10位缺口，或一整圈，它提出的下一个转盘，这代表的十列的一处。当十位拨号移动一圈，代表百位拨号移动一格等。到帕斯卡利娜的缺点，当然是它限制加法。

1694年，德国数学家兼哲学家莱布尼茨，通过创造一个机器，提高了帕斯卡利娜计算机。就像它的前身，莱布尼茨的机械通过齿轮和刻度盘的系统工作。通过研究帕斯卡部分的原始笔记和图纸，莱布尼茨得改进他的机器。机器的中心是台阶鼓齿轮设计，这提供了简单的平面齿轮的细长版本。但直到1820年这个机械计算器才得以获得广泛使用。后来，法国人查尔斯科尔马发明了可以执行四个基本运算功能的机器。科尔马的机械计算器提出了更实用的计算方法，因为它可以加，减，乘，除。凭借其增强的多功能性，他发明的计算机在第一次世界大战前被广泛使用。科尔马与其他发明家帕克尔和莱布尼茨发明并改进的计算机，帮助定义了初期机械计算的时代。

第一台真正意义上的计算机是由一个英国数学教授查尔斯·巴比奇发明的。当他在皇家天文学会做研究是，常常因为发现计算错误而烦恼。1812年，巴贝奇发现机器和数学之间的自然和谐：机器是最擅长重复执行任务而不犯错误，而数学经常需要的计算步骤的简单重复。于是巴比奇他提出了用一个机器来执行微分方程，简称差分机，这个机器有一个存储的程序，并可以进行计算，自动打印结果。在差分机被发明的十年之后，巴比奇是突发奇想，开始建造他的第一台分析机。由于社会各界的支持和政府的帮助，巴比奇的第一台分析机问世，这也是当今计算机的前身。

1889年，美国发明家赫尔曼·霍尔瑞斯提出了织机的概念来进行计算。与使用穿孔卡来指示机器的巴贝奇的想法不同的是，霍尔瑞斯的方法使用卡来存储送入的机械编译结果的数据和信息。卡上的每个打卡代表一个号码，两个点的组合代表一个字母。一张打孔卡上可以存储多达80个变量。霍尔瑞斯带来的冲卡读卡器进入商业界，于1896年创立公司，后来这个公司经历一系列的兼并成为现在的IBM。而用打孔卡进行数据处理的这项技术也被沿用到，20世纪60年代。