《计组》计算机系统概述

常考知识点

存取速度：寄存器【CPU内部】> Cache > 内存
机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言
存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
存储单元：每个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
机器字长：计算机能一次处理的二进制代码的长度
- 可通过寄存器的位数判断机器字长
- 一定与机器字长相同的部件：ALU，通用寄存器
指令字长：指令的二进制长度
数据字长：数据总线一次能并行传送信息的次数
一字节 = 8位，即$1B = 8bit$
IR,MAR,MDR对程序员不可见
计算机运算速度指标指的是每秒能执行多少条指令，即MIPS
描述浮点数操作速度的指标：MIPS

计算机硬件的发展

发展阶段	逻辑元件	主存储器	运算速度	软件	应用
第一代	电子管	电子射线管	几千次到几万次	机器语言、汇编语言	军事研究、科学计算
第二代	晶体管	磁芯	几十万次	监控程序、高级语言	数据处理、事务处理
第三代	中小规模集成电路	半导体	几十万次到上百万次	操作系统、编辑系统、应用程序	广泛应用
第四代	大规模超大规模集成电路	集成度更高的半导体	上千万次到上亿次	操作系统、数据库、高级语言、应用程序	渗入社会各个领域

计算机发展趋势

巨型化
网络化
微型化
- 微型计算机的发展以微处理器技术为标志
智能化

计算机软件的发展

应用软件
- 办公软件
- 多媒体软件
- 辅助设计软件
- 企业应用软件
- 网络应用软件
- 安全防范软件
- 娱乐休闲软件
系统软件
- 操作系统
- 网络服务程序
- 语言处理程序
- 数据库管理系统【数据库系统不是系统软件】
- 程序设计语言
- 其他实用程序和工具

计算机应用层次结构

层次结构图
三种程序转换
- 高级语言$\underrightarrow{编译}$汇编语言$\underrightarrow{汇编}$机器语言
- 高级语言$\underrightarrow{解释}$机器语言
- 源程序$\underrightarrow{C编译器}$汇编源程序$\underrightarrow{汇编程序}$目标程序$\underrightarrow{链接程序}$可执行程序
三个级别的语言
- 机器语言
  - 计算机唯一可以直接识别和执行的语言
- 汇编语言
  - 由汇编程序（系统软件）翻译成机器语言后再执行
- 高级语言
  - C,C++,java等
  - 一种是经过编译程序得到汇编语言，然后得到机器语言，然后再执行【高级语言$\rightarrow$汇编语言$\rightarrow$机器语言】
  - 一种是由高级语言程序直接翻译成机器语言（边翻译边执行，不生成可执行文件）【高级语言$\rightarrow$机器语言】
翻译程序
- 汇编程序（汇编器）
  - 汇编语言$\rightarrow$机器语言
- 解释程序（解释器）
  - 边翻译边执行
- 编译程序（编译器）
  - 高级语言$\rightarrow$汇编语言$\rightarrow$机器语言

计算机硬件的组成

冯诺依曼结构

组成示例图
特点
- 计算机由五大部件组成
  - 输入设备
  - 输出设备
  - 存储器
  - 运算器
  - 控制器
- 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并按地址寻址
- 指令和数据均以二进制代码表示
  - CPU区分指令和数据的凭依是指令周期的不同阶段
  - 数据由指令的地址码给出
- 指令 = 操作码 + 地址码，操作码表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
- 指令在存储器内按顺序存放，通常，指令是顺序执行的，特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
- 早期冯诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据
- 单处理机
- 基本工作方式为控制流驱动方式

现代计算机结构

示例图
特点
- 计算机 = 主机 + 输入/输出设备
- 主机 = CPU +主存
- CPU = 运算器 + 控制器
- 控制器：指挥各部件使得程序执行
- 运算器：算术运算和逻辑运算
- 存储器：存放数据和指令【存储器为核心】
- 输入设备：将信息转换为机器能够识别的形式
- 输出设备：将结果转换为人们熟悉的形式

计算机的功能组件

存储器

组件
- 存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存储1bit
- 存储单元：每个存储单元放一串二进制代码
- 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
- 机器字长：计算机能一次处理的二进制代码长度
- 指令字长：指令的二进制长度
- 数据字长：数据总线一次能并行传送信息的次数
- MAR（地址寄存器）：用于寻址，位数=存储单元个数/地址码的长度
  - 现代计算机CPU中也内置了MAR
- MDR（数据寄存器）：用于暂存数据，位数 = 存储字长
- 时序控制逻辑：用于产生存储器操作所需的各种时序信号

运算器

组件
- ACC：累加器，用于存放操作数或运算结果
- MQ：乘商寄存器，在乘除计算中用于存放操作数或运算结果
- X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数
- ALU：算术逻辑单元，运算器核心

控制器

- 组件
  - PC:程序计数器，存放下一条指令的地址，并跟踪下一条要执行的指令的地址
  - IR：指令寄存器：存放当前正在执行的指令
  - CU：控制单元，分析指令，给出控制信号

计算机系统的细节

系统细节图
系统的组成
- CPU：中央处理器
- PC：程序计数器
- MAR：存储地址寄存器
- ALU：算术逻辑部件
- IR：指令寄存器
- MDR：存储器数据寄存器
- GPRs：通用寄存器组
  - 由若干通用寄存器组成，早期为累加器
程序执行的过程
- 程序执行前
  - 数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段组成，程序起始地址置PC
- 开始执行程序
  - 根据PC取指令
  - 指令译码
  - 取操作数
  - 指令执行
  - 回写结果
  - 修改PC的值
  - 继续执行下一条指令
指令执行过程
- 分为取指令，分析指令，执行指令三个阶段
  - 开始时，将第一条指令地址放到PC中
  - 将PC的指令暂存到MAR中，发出读命令，读MAR里面的内容，然后存到MDR中，再把MDR的指令放到IR中
  - 翻译IR的操作性质
  - 取操作数
  - 将操作数送往运算器，进行运算
  - 送结果到寄存器中或送到内存
  - PC加一
常见操作码
程序执行过程举例
- 举例计算$y = ax^2 + bx+c$
  - 取x至运算器中
  - 乘以a，得ax，存于运算器中
  - 加b，得ax+b，存于运算器中
  - 乘以x，得(ax+b)x，存于运算器中
  - 将运算器中数据送至存储器y中
  - 打印y
  - 停机

计算机性能指标

字长
- 机器字长：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制的位数，一般与字长长度有关
数据通路带宽
- 外部数据总线一次能并行传送信息的位数，非CPU内部数据总线宽度
主存容量
- 主存储器所能存储信息的最大容量
- 通常以字节来衡量【1B = 8bit】
- 也可使用字数$\times$字长表示
  - MAR为16位，$2^{16} = 65536$，即存储体内有65536个存储单元（可称为64K，1K = 1024）
  - MDR为32位，表示存储容量为64K $\times$ 32位
吞吐量和响应时间
- 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量【用户角度下评价计算机系统性能的综合参数】
- 响应时间：指用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间
主频和CPU时钟周期
- 主频：机器内部主时钟的频率，代表每秒执行多少个时钟周期数
  - 值越大代表一个操作所需时间越少，CPU运行速度越快
- CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数
  - 是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期
- 时钟周期$= \frac{1}{主频}$，如主频为2.4GHz,则时钟周期$ = \frac{1}{2.4G}$秒
CPI
- 执行一条指令所需要的时钟周期数
- CPI与系统结构，指令集，计算机组织有关，与时钟频率无关
- $CPI = \frac{时钟周期数量}{指令数量}$
CPU执行时间
- 运行一个程序所花费的时间
- $执行时间 = 时钟周期数量 \times 时钟周期 = \frac{时钟周期数量}{主频} = \frac{指令条数 \times CPI}{主频}$
MIPS
- MIPS：每秒执行多少百万条指令【Million instruction per second】
  - $ MIPS = \frac{指令条数}{执行时间 \times 10^6 = \frac{主频}{CPI \times 10^6}}$
- MFLOPS:每秒执行多少百万次浮点运算
  - $MFLOPS = \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^6}$
- GFLOPS:每秒执行多少十亿次浮点运算
  - $GFLOPS = \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^9}$
- TFLOPS:每秒执行多少万亿次浮点运算
  - $TFLOPS = \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^{12}}$
其他换算
- $1Kb = 2^{10}b = 1024b,1B【字节】 = 8bit【位】$
- 描述速率，频率时：$1T = 10^3G = 10^6M = 10^9K$