计算机系统概述

一、冯诺依曼体系

1. 用二进制代码表示程序和数据

任何复杂运算和操作都转化为二进制代码表示的指令，数据也用二进制代码来表示

2. 采用存储程序的工作方式（核心思想）

将程序和数据存储起来，让计算机自动执行指令，完成各种复杂的运算操作

3. 新型现代计算机硬件组成

存储器
运算器
控制器
输入输出设备

冯诺依曼体系奠定了现代电子计算机的理论基础**

二、计算机的主要功能部件

1. CPU

主要由控制器和运算器组成

（1）运算器

功能：

完成算术和逻辑运算

组成特点：

主要由ALU (算术逻辑单元)构成，执行算术、
逻辑运算以及移位循环等操作，是CPU功能的
主要执行部件。
ALU以全加器为核心，具有多种运算功能。
运算的位数越多,计算精度就越高,但器件也
更复杂。
运算器的数据宽度一般是：8位、16位、32位
或64位。

（2）控制器

功能：

产生控制命令，控制全机操作

基本组成：

在这里插入图片描述

2. 存储器

1. 功能：存储数据和数字化后的程序

2. ***几个概念

存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个存储单元，组成一个存储单元
地址：存储器由许多存储单元组成，每个存储单元的编号称为地址
存储容量：存储器所有存储单元的总数
内存储器：即主存，是一种用来存放直接为CPU提供服务的程序和数据存储器
外存储器：即辅存，为计算机配备的存储容量很大的辅助存储器

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3. 输入输出设备

功能：执行输入/输出信息的转换

输入时：原始信息 ——> 二进制代码，送入主机
输出时：处理结果（二进制代码） ——> 用户能够直接感知的形式(字符、图像、声音),并输出给用户；

4. 总线（Bus）

能为多个部件分时共享的一组信息传送通路

根据传送的信息不同，可分三类：

① 传送各种数据信息的 数据总线 (Data Bus)
② 传送各种地址信息的 地址总线 (Address Bus)
③ 传送各种控制信号的 控制总线 (Control Bus)

5. 接口

外设的种类、数量了变，为了将总线与各类外设连接，须在两者之间设置一些部件，具有缓冲、转换、连接等功能，这些部件就是接口。
在这里插入图片描述

计算机系统的性能指标

1. 基本字长

指一次数据操作的基本位数
它会影响计算的精度、指令的功能
一般4位、8位、16位、32位、64位，等等；

2. 运算速度

外部频率或基频，也叫系统时钟频率
在这里插入图片描述

主频 =外频×倍频系数
IPS：每秒执行指令数；
CPI：计算机执行一条指令所需的时钟周期数 Clock-cycle Per Instruction
FLOPS：每秒执行浮点运算的次数；

3. 数据传输率

物理含义：单位时间内数据的传输量
$带宽=\frac{(位宽×工作频率)}{8}(b/s)$

例题：假设该程序由200条指令构成，CPU通过执行该程序可并行输出4KB数据。若CPU主频32MHz，求I/O带宽。

指令类型	占比	CPI
传输类指令	40%	15
双操作数指令	30%	20
单操作数指令	20%	15
转移类指令	10%	10

解答:

$平均CPI = 15×40\%+20×30\%+15×20\%+10×10\% = 16$
$执行程序所需的时钟周期数 T = 200×16 = 3200$
$每秒可执行程序的次数 = 主频 ÷ 每次的时钟周期 = 32M ÷ 3200$
$I/O带宽 = ( 32M ÷ 3200 ) × 4KB = 40MBps$

4. 存储器的容量

内存(主存)容量
$可编址的存储单元个数×存储单元的位宽$

可编址的存储单元个数取决于地址码位数
存储单元的位宽表明编址单位

外存(辅存)容量

指存储器能存储的最大数据量;
常表示为：Byte、KB、MB、GB、TB
外存容量与总线地址码的位数无关。

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