计算机组成原理思维导图——计算机系统概述
计算机系统概述
计算机发展历程
计算机硬件的发展
世界上第一台电子数字计算机【ENIAC】
计算机的四代变化
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
计算机元件的更新换代
计算机软件的发展
计算机的分类与发展方向
电子计算机
电子模拟计算机
电子数字计算机
专用计算机
通用计算机
巨型机
大型机
中型机
小型机
微型机
单片机
按指令和数据流分类
单指令流和单数据流系统【SISD】
传统冯诺依曼体系结构
单指令流和多数据流系统【SIMD】
阵列处理器和向量处理器系统
多指令流和单数据流系统【MISD】
不存在
多指令流和多数据流系统【MIMD】
多处理器和多计算机系统
计算机系统层次结构
计算机系统的组成
计算机硬件的基本组成
早期的冯诺依曼机
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组成
指令和数据以同等地位（二进制形式）存储在存储器中，并可按地址寻访，CPU通过寻址方式区分
指令由操作码和地址码组成
指令在存储器中按顺序存放
早期冯诺依曼机以运算器为中心，I/O通过运算器和存储器传送数据
控制流驱动方式
现代计算机的组织结构
计算机的功能部件
输入设备
输出设备
存储器
概念
计算机的存储部件，存放程序和数据
主存储器（主存）
CPU能直接访问
<-- 组成
存储单元
<-- 组成
存储元件
存储一位二进制代码“0”or“1”
存储一串二进制代码，称为存储字，代码位数称为存储字长
存储字长是1B（8bit）或字节的偶数倍
包括
存储体
地址寄存器【MAR】
位数对应存储单元个数
10位代表有2^10个存储单元
数据寄存器【MDR】
位数与存储字长相等
时序控制逻辑
工作方式
按存储单元的地址进程存取
辅助存储器（外存储器、辅存）
外存的信息调入主存才能被CPU访问
运算器
核心
算术逻辑单元【ALU】
包含若干通用寄存器
控制器
包括
程序计数器【PC】
存放当前欲执行指令的地址，可自动+1形成下一条指令地址，与主存的MAR之间有一条直接通路
指令寄存器【IR】
存放当前的指令，内容来自主存的MDR
控制单元【CU】
计算机软件的分类
系统软件
OS、数据库管理系统【DBMS】、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序
应用软件
计算机的工作过程
1、把程序和数据装入主存
2、从程序的起始地址允许程序
3、用程序首地址从存储器取出第一条指令，经过一系列步骤完成指令功能，计算下一条指令的地址
4、用得到的地址继续读第二条指令执行，直到程序结束
每条指令都是在取指、译码和执行的循环中完成的
计算机系统的多级层次结构
三个级别的语言
机器语言
二进制编码组成，机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言
汇编语言
英文或缩写代替二进制的指令代码，汇编语言要经过汇编操作，将其转化为机器语言才能执行
高级语言
C++/java/C，编译程序编译成汇编语言，汇编操作得到机器语言才能执行
计算机性能指标
机器字长
计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数
机器字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高
指令字长（与机器字长对比）
一个指令中包含的二进制代码的位数
存储字长（与机器字长对比）
一个存储单元存储的二进制代码的长度
数据通路带宽
数据总线一次所能并行传送信息的位数
主存容量
主存储器能存储信息的最大容量，通常用字节(B)衡量
字数×字长（例 512K×16位）
MAR的位数反映存储单元个数，其反映可寻址范围的最大值
MAR16位 表示有2^16=65536个存储单元 （称64K内存） MDR32位 则存储容量 64K×32位
n位地址->2^n个存储单元 最大容量= 2^n×存储字长
总容量=存储单元个数×存储字长 bit单位 总容量=存储单元个数×存储字长/8 Byte单位
运算速度 每秒能执行多少条指令
吞吐量
系统单位时间内处理请求的数量
响应时间
用户向计算机发送一个请求，到系统做出相应并获得所需结果的等待时间
通常包括CPU时间（允许一个程序所花时间）和等待时间（磁盘范围、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等）
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
主频（CPU时钟频率）
机器内部主时钟的频率
CPU时钟周期=1/主频
单位 Hz 1Hz表示每秒1次
CPI
执行一条指令所需要的时钟周期数
CPU执行时间
运行一个程序所花费的时间
CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数×CPI）/主频
MIPS
每秒执行多少百万条指令
MIPS=指令条数/（执行时间×10^6）=主频/CPI
MFLOPS
每秒执行多少百万次浮点运算
MFLOPS=浮点操作次数/（执行时间×10^6）
GFLOPS
GFLOPS=浮点操作次数/（执行时间×10^9）
TFLOPS
TFLOPS=浮点操作次数/（执行时间×10^12）
1位（b）=1比特（bit） 1字=2字节 1字节=8位=8比特
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