计算机组成原理和结构图式（第一章 概论）

计算机组成原理和结构图式（第一章 概论）

1、计算机硬件概念

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 CPU（中央处理器）

构成：运算器、控制器、寄存器组

运算器：算术运算（定点数、浮点数）和逻辑运算

控制器：微命令（组合逻辑和微程序控制方式）

寄存器组：存放数据信息和控制信息

存储器

缓存>主存>外存

主存：固定地址CPU按地址访问，与CPU合称主机

外存：先调入主存

高速缓存：CPU和主存之间，集成在CPU内部

输入/输出设备（Input/Output，I/O）外设

总线

分时共享：一发多收

系统总线分为

（1）数据总线（运算器）

（2）控制总线（控制器）

（3）地址总线（存储器）

2、计算机软件概念

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1.系统软件

操作系统（operation system，OS）

DOS（磁盘操作系统）：键盘命令

Windows：图形化人机操作界面

程序作为文件由操作系统管理

提供软件开发环境和运行环境

语言处理程序：将源程序转换为指令序列（机器语言）即“翻译”

解释程序：三程序并行

编译程序：1由1变1

汇编：将用汇编语言编写的源程序转换为目标程序，该转换程序称汇编程序

数据库管理系统（DBMS）

各种服务性支撑软件，软件平台技术

各种标准程序库，库文件

2.应用软件

3、硬件、软件层次结构

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自下而上：计算机系统的逐级生成过程

拟定指令系统（软件归宿，指令系统即传统机器级，连接软硬件的界面）—＞创建硬件系统（硬核，核心是CPU和主存，分为下层的硬联逻辑和上级微程序控制器）—＞配置操作系统—＞配置语言处理程序及各种软件资源（应用程序）—＞输入用户程序

自上而下：应用计算机求解问题的过程

系统分析级（需求分析、算法、建模）—＞用户程序级（编程）—＞操作系统级（语言处理）—＞传统机器级（机器语言级）—＞硬件系统级

从语言功能角度划分的层次结构模型

1）机器语言－汇编语言（助记符描述指令）

2）虚拟机：通过配置软件，扩充机器功能后形成的一台计算机，实际硬件不具备这种语言功能。机器语言之后的都是具备该语言程序的虚拟机。

3）大多数程序是直接翻译为机器语言，也有层级翻译：专用语言虚拟机－＞高级语言虚拟机－＞汇编语言虚拟机－＞机器语言物理机

4、计算机主要性能指标

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1）基本字长：CPU一次能处理的数据位数

• 如８位，３２位，６４位
• 影响计算精度、硬件成本、指令系统功能
• 某些如字符信息只需要８位１字节表示

2）外频（系统时钟频率），一般不用外频评价，但是基础

3）CPU综合性能

• CPU主频ｆ＝外频×倍频系数，也叫CPU时钟频率
  • 倒数为时钟周期，与CPU完成一步微操作用时对应　　
• 每秒执行指令数IPS等

4）数据通路宽度和数据传输率

• 数据通路宽度（W，位宽）：总线一次并行传送的数据
  • CPU内部位宽＝CPU基本字长＝CPU内总线位宽　　
  • CPU外部位宽＝系统数据总线位宽　　
• 数据传输率（Data　Transfer　Rate，DTR，带宽）：单位时间传输的数据量
  • 单位ｄｐｓ　　
  • 公式：DTR＝D／T＝W×ｆ　　
    • D为数据传输量，T为数据传输时间　　　　
    • W为数据通路宽度，ｆ是工作频率​　　　　

5）存储容量

• 主存（内存）容量－表示单位，因编址单元不同
  • 字节数字节（Byte，B）为单位（多）　　
    • １B＝８bits（位）　　　　
    • K＝２＾１０B，M２G３T４　　　　
  • 字数×位数（字长）（不为８）表示　　
  • 最大可编址单元数（编址空间）由地址线位数决定　　
• 辅存（外存）容量
  • 操作系统通过虚拟存储技术管理外存，外存有效容量取决于存储器自身，与地址总线位数无关　　

6）外设和软件配置

5、冯诺依曼思想

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硬件：硬件系统五大部件

• 存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备

机器：采用二进制表示信息

• 数字代码表示各类信息，数字信号表示数字代码
• 优势：储存、精度、表示范围、抗干扰能力
• 数字逻辑处理

软件：采用存储程序的工作方式

6、计算机发展趋势

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巨型化、微型化、多媒体化、网络化、智能化