【计算机组成原理】计算机系统概论

计算机系统概论

一、基本知识

(1)计算机的分类

电子计算机从总体上来说分为两大类：电子模拟计算机、电子数字计算机。

	电子数字计算机	电子模拟计算机
数据表示方式	数字0和1	电压
计算方式	数字计数	电压组合和测量值
控制方式	程序控制	盘上连线
精度	高	底
数据存储量	大	小
逻辑判断能力	强	无

• 电子模拟计算机

  ”模拟”就是相似的意思，例如计算尺是用长度来标示数伯 时钟是用指针在表盘上转动来表示时间；电表是用角度来反映电量大小，这些都是模拟计算装置模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运符过程也是连续的。

• 电子数字计算机

  电子数字计算机是在算盘的基础上发展起来的，是用数字来表示数量的大小，数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。

  电子数字计算机进 步义可分为片用计算机和通用计算机 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。

  • 专用计算机

    专用计算机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性佷差。

  • 通用计算机

    通用计算机的适应性很强，但是牺牲了效率、速度和经济性。

    通用计算机可分为超级计算机 、大型机、服务器、 PC 、单片机和多核机。它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容星、指令系统规模和机器价格。
    

(2)计算机的发展

• 计算机的发展简史
  

• 计算机的发展趋势

  • 微型化
  • 网络化
  • 巨型化
  • 智能化

(3)计算机的性能指标

• 吞吐量

  • 某一时间间隔内能够处理的信息量

• 响应时间

  • 从输入有效到系统产生响应之间的时间度量

• 利用率

  • 给定时间间隔内系统被实际使用的时间所占比率

• 处理机字长

  • 运算器一次能够完成二进制运算的位数

• 总线宽度

  • 运算器与存储器之间进行互连的内部总线位数

• 存储器容量

  • 存储器所有存储单元的总数目

• 存储器带宽

  • 单位时间内从存储器读出的二进制数信息量

• 主频/时钟周期

  • 主时钟的频率称CPU主频，主频倒数为周期

• CPU执行时间

  • 执行一般程序所占用的CPU时间

  • CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期

• CPI

  • Cycle Per Instruction 每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数

  • CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷程序包含的指令条数

• MIPS

  • Million Instructions Per Second 每秒执行多少百万条定点指令数

  • MIPS=指令数÷（程序执行时间×1$0^6$）

• FLOPS

  • floating-point operations per second 每秒执行浮点操作的次数

  • FLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间（s）

二、计算机系统简介

(1)硬件系统

①硬件系统组成

• 中央处理单元CPU

  • 控制器
  • 运算器

• 总线系统

  • 总线 和 输入输出接口

• I/O设备

  • 输入设备
  • 输出设备

• 存储器

  • 高速缓存
  • 主存储器
  • 虚拟存储器(磁盘设备)

②主要硬件简介

• 运算器
  运算器的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算。除此以外，还可以进行逻辑运算，因此常称为 ALU (算术逻辑运算部件)。
  • 采用二进制数（容易实现）
  • 位数越多，计算精度越高
• 存储器
  保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤，存储的是0或1表示的二进制代码
  • 主存采用半导体器件作为存储器，一个半导体触发器记忆一个二进制位
  • 存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元
  • 存储器地址：存储器是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。通常用单位“KB、MB、GB、TB”等表示
  • 分为：内存储器（主存）和外存储器(辅存）
• 控制器
  控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作：
  按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推
  • 指令有两部分：操作的性质(操作码)和操作的地址(地址码)
  • 取指令的一段时间叫做取指周期
  • 执行指令的一段时间叫做执行周期
  • 取指并执行完成指令的时间，称为指令周期
• 适配器与输入输出设备
  • 输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式
  • 输出设备把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式
  • I/O设备通常统称为外围设备
  • 适配器(I/O接口) 相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接收信息
• 系统总线
  系统总线构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路

(2)软件系统

(3)计算机系统的层次结构

• 计算机系统的层次结构
  
• 软硬件界面
  

三、电子计算机的设计思想——存储程序，程序控制

(1)存储程序，程序控制

• 存储程序

  把解决问题的程序（指令序列）存放到存储器中

• 程序控制

  控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务

(2)冯·诺依曼计算机的基本思想

• 采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成
• 将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”
• 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现
• 计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成

(3)指令流和数据流

• 某字为一条指令，则称为指令字
• 某字代表要处理的数据，称为数据字
• 在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器
  而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器
• 时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。
• 空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动