第1章：计算机系统概论

第1章：计算机系统概论
- 1.1 计算机系统概论
- - 1.计算机的硬件和软件结构：
  - - （1）硬件的发展：
    - （2）软件的发展：
  - 2.计算机的分类和发展方向：
  - - （1）根据用途分类：
    - （2）根据指令和数据流分类：
    - （3）计算机发展方向：
  - 3.计算机组成和计算机体系结构：
- 1.2 计算机系统的层次结构
- - 1.计算机硬件框图：
  - 2.计算机的功能部件：
  - - （1）存储器：
    - （2）运算器：
    - （3）控制器：
    - （4）输入/输出设备：
  - 3.计算机的工作流程;
  - - （1）源程序转换成可执行文件：
    - （2）可执行文件的首地址开始逐条执行指令：
  - 4.计算机系统的多层次结构：
- 1.3 计算机硬件的主要技术指标
- - 1.机器字长：
  - 2.存储容量：
  - 3.运算速度：
  - - （1）吞吐量和相应时间：
    - （2）主频和CPU时钟频率：
    - （3）CPI：
    - （4）CPU执行时间：
    - （5）MIPS：
    - （6）FLOPS:

1.1 计算机系统概论

1.计算机的硬件和软件结构：

计算机硬件，是指计算机实体部分的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成（如主机、外部设备等）。

计算机软件，是由人们编制的具有各类特殊功能的程序组成。（通常把这些程序存放在各类媒体中RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘等）

系统软件（系统程序），主要用于管理、监视整个计算机系统，使系统资源得到合理调度，高效运行。

应用软件（应用程序），主要是用户根据任务需要所编制的各种程序。（如：科学计算、数据处理、过程控制、事务管理）

（1）硬件的发展：

从1946年世界第一台电子数字计算机以来，计算机的发展以及经历四代变化。

名称&时间	特点	主存	备注
第一代计算机（1946-1957）	电子管时代（逻辑元件采用电子管）	主存采用延迟线或磁鼓存储信息	使用机器语言进行编程，容量小、体积大、成本高、速度慢
第二代计算机（1958-1964）	晶体管时代（逻辑元件采用晶体管）	主存采用磁心存储器	开始使用高级语言编程，如FORTRAN,有了操作系统的雏形
第三代计算机（1965-1971）	中小规模集成电路（逻辑元件采用中小规模集成电路）	半导体存储器开始取代磁心存储器	高级语言发展迅速、操作系统中出现分时操作系统
第四代计算机（1972-至今）	超大规模集成电路（逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路）微处理器		并行、流水线、高速缓存、虚拟存储器

（2）软件的发展：

计算机语言的发展经历了面向机器的机器语言和汇编语言、面向问题的高级语言。（其中高级语言的发展真正促进了软件的发展）

高级语言的发展经历了从科学计算和工程计算的FORTRAN、结构化程序设计的PASCAL到面向对象的C++和适应网络环境的Java。

2.计算机的分类和发展方向：

（1）根据用途分类：

（2）根据指令和数据流分类：

名称&缩写	说明
`SISD`单指令流和单数据流系统	即传统的冯·诺依曼体系结构
`SIMD`单指令流和多数据流系统	包括阵列处理器和向量处理器系统
`MISD`多指令流和单数据流系统	这种计算机实际上不存在
`MIMD`多指令流和多数据流系统	包括多处理器和多计算机系统

（3）计算机发展方向：

计算机的发展正向向着两极分化的方向发展，

一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展，另一极是巨型计算机向更加巨型化、超高速、并行处理、智能化发展

3.计算机组成和计算机体系结构：

在学习计算机组成时，应注意区分计算机体系结构与计算机组成这两个概念

计算机体系结构是指能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特征。

（例如：指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等抽象的属性）

计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含了许多硬件细节。

（例如：指令系统体现了机器的属性，这是属于计算机结构的问题；指令的实现即取指、分析指令、取操作数、运算、送结果等属于计算机组成问题）

1.2 计算机系统的层次结构

补充：冯诺依曼计算机特点：

1945年，数学家冯·诺依曼在研究EDVAC机时提出了存储程序的概念，以此概念为基础设计的计算机称为冯·诺依曼机：

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成
指令和数据以同等地位存放与储存器内，并可按地址寻访
指令和数据均用二进制数表示
指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的性质，地址码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
机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

1.计算机硬件框图：

现代计算机在冯·诺依曼机的基础上将存储器转化为中心的计算机体系结构，其结构如下：

运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内
存储器用来存放数据和程序
控制器用来控制程序和数据的输入、输出、运行以及处理运算结果

现代计算机可认为由3大部分组成：CPU（运算器、控制器）、I/O设备及主存储器

2.计算机的功能部件：

（1）存储器：

存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据。存储器分为主存储器（称为主存或内存储器）和辅助存储器（称为辅存或外存储器）

主存储器（主存 or 内存）主要包括存储体M、各种逻辑部件及控制电路等，其工作方式为按地址访问主存从而实现读写操作。

为了实现按地址访问的方式，主存中还必须配备两个寄存器MAR、MDR。

MAR（Memory Address Register）：存储器地址寄存器，用来存放欲访问存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。

（如MAR为10位，则对应存储单元的个数为2 ^ 10 = 1024个（1K））

MDR（Memory Data Register）：存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元出入的代码，其位数与存储字长相等。
存储体M：主要用于存放二进制信息
时序控制逻辑：主要用于产生存储器操作所需的各种时序信号

MAR与MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的；另外高速缓存Cache也是存在于CPU中的

（2）运算器：

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算（+、-、*、/）和逻辑运算（&、|、！、^、==、>>）。

运算器的核心是算术运算单元ALU（Arithmetic and Logical Unit），运算器还包含若干通用寄存器用于暂存操作数和中间结果（如：累加器ACC、乘商寄存器MQ、操作数寄存器X等）、

运算器内还有程序状态寄存器PSW，也有标志寄存器用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息（是否溢出、有无进位 or 错位、结果是否为负等）

（3）控制器：

控制器是计算机的神经中枢，由它指挥各部件自动、协调的工作（取指、分析、执行）。

控制器由程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）以及控制单元CU组成。

PC：用来存放当前欲执行指令的地址，PC与MAR之间有一条直接通路，且能够自动加1（自动形成下一条指令的地址）。
IR：用来存放当前指令，IR的内容来自主存的MDR。

IR中的操作码（OP（IR））送至CU，记作OP（IR）——>CU，用于分析指令

IR中的地址码（Ad（IR））作为操作数的地址送至存储器的MAR，记作Ad（IR）——>MAR

CU：用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用于控制所有被控对象。

（4）输入/输出设备：

输入设备主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机。（如：键盘、鼠标、扫描仪、摄像机）

输出设备主要功能是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。（如：显示器、打印机）

3.计算机的工作流程;

在将程序和数据输入主存之后计算机工作的流程：

（1）源程序转换成可执行文件：

（2）可执行文件的首地址开始逐条执行指令：

程序中第一条指令的地址置于PC中，根据PC取出第一条指令，经过译码、执行步骤等，控制计算机各功能部件协同运行。

完成这条指令的功能，并计算下一条指令的地址，用得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止。

4.计算机系统的多层次结构：

计算机系统多层次结构的作用，就是根据从各种角度所看到的机器之间的联系，来分清明确各自之间的功能，以便合理的构成计算机系统

1.3 计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长：

机器字长是指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，通常与CPU的寄存器位数、加法器相关。

因此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。

注：计算机字长通常选定为字节（8位）的整数倍

2.存储容量：

主存容量是指主存存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，也可用字数*字长（512K * 16位）来表示储存容量。

MAR的位数反映存储单元的个数，MDR的位数反映可寻址范围的最大值（不一定是实际存储器的存储容量）

3.运算速度：

（1）吞吐量和相应时间：

（2）主频和CPU时钟频率：

（3）CPI：

（4）CPU执行时间：

（5）MIPS：

（6）FLOPS:

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