计算机组成原理1：计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

1.1.1 什么是计算机系统

计算机系统 = 软件 + 硬件

软件：由各类特殊功能的程序组成
硬件：实体，如主机、外设
-（安卓的很多硬件比苹果好，但是结合软件生态后，总体比较上却不一定，因此很多人更喜爱苹果）

发展趋势：“两极”分化

微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展
巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展

1.1.2 软件

分类：

系统软件：用来管理整个计算机系统（操作系统、数据库管理系统…）
应用软件：按任务需要编制成的各种程序

1.1.3 硬件

第一台电子计算机 - ENIAC（1946）：手动接线来控制计算
1947年，贝尔实验室发明了“晶体管”
机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数

1.2 计算机硬件的基本组成

1.2.1 早期冯诺依曼机的结构

存储程序

将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束

早期冯诺依曼机

第一台采用冯诺依曼结构的计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机）

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的

比如乘法运算可以用硬件实现也可以用软件实现

冯诺依曼计算机特点

计算机由五大部件组成
指令和数据以同等地位存于存储器，可以按照地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成
存储程序
以运算器为中心（I/O设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成，但这会导致数据计算效率降低）

1.2.2 现代计算机的结构

以存储器为中心
CPU = 运算器 + 控制器

以手机为例，

主存：运行内存8GB
辅存：机身存储128GB（机械硬盘、固态硬盘…）
平时手机里的APP是存在辅存里的，只有运行时才将APP的数据读到主存里

1.2.3 各硬件的工作原理

主存储器

以菜鸟驿站为例

存储体——货架
MAR（存储地址寄存器）——店员
MDR（存储数据寄存器）——取货柜台
CPU——取件人

运算器

控制器

完成一条指令：

取指令——PC
分析指令——IR
执行指令——CU

计算机的工作过程

1.3 计算机系统的多级层次结构

三种级别的语言

机器语言：二进制代码
汇编语言：助记符
高级语言：C、Java…
– C/C++：编译程序
– JavaScript、Python、Shell：解释程序（翻译一句执行一句）

注：在计算机组成原理中，“透明”指的是“看不见”

1.4 计算机性能指标

存储器的性能指标

注：

2¹⁰：K
2²⁰：M
2³⁰：G
2⁴⁰：T

CPU的性能指标

1、CPU主频（时间频率）：CPU内数字脉冲信号振荡的频率（单位：赫兹）

2、CPU时钟周期：每个脉冲信号的时间（单位：微秒、纳秒）

CPU主频 = 1/CPU时钟周期

3、CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数量

不同的指令，CPI不同，甚至相同的指令，CPI也可能有所变化，与当前的主存、内存、状态等香瓜
执行一条指令耗时 = CPI x CPU时钟周期
CPU执行时间（整个程序的耗时）= CPU时钟周期数 / 主频 = （指令条数 x CPI）/ 主频

4、IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令 = 主频 / 平均CPI

5、FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算

也经常使用KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS，这里的K（10³）、M（10⁶）、G（10⁹）、T（10¹²）为数量单位

系统整体的性能指标

1、数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

2、吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，主要取决于主存的存取周期

3、响应时间：从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结果的等待时间，通常包括CPU时间与等待时间

动态测试：

基准程序（跑分软件）