计算机系统概述

第一章：计算机系统概论

1.1计算机系统简介

一、计算机的软硬件概念

计算机系统由“硬件”和“软件"两大部分组成。

1. 硬件：指计算机的实体部分， 它由各种电子元器件和各类光、电、机设备的实物组成。

2. 软件：指由人类事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。

   分类：

   • 系统软件：又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。
     • 语言处理程序
     • 操作系统
     • 服务性程序
     • 数据库管理系统
     • 网络软件
   • 应用软件：又称应用程序，是根据任务需要所编制的各种程序。

计算机性能的好坏取决于软件和硬件功能的总和。

二、计算机系统的层次结构

目前，按照程序员应用可将计算机系统分为以下层次结构：

• 实际机器随着开发语言的不断发展“向上”发展出M2、M3、M4层；此外，向底层发展产生了能够被硬件直接执行的的微指令系统层；
• 微指令机器M0将在每一个时间点上能够执行的操作放到微指令中；而执行间有先后顺序的操作，只需要将它们放在不同的微指令中，通过微指令执行的先后顺序来实现操作间的先后顺序；
• 图示界面粗略将计算机系统划分为软件层（上层）与硬件层（底层）；界面为开发人员提供了计算机硬件与软件间交互的接口；

三、计算机体系结构与计算机组成

1. 计算机体系结构：指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性。（机器语言程序员想要编写出能够在计算机硬件系统上正确执行的程序，他所必须了解的属性）

   • 定义了计算机软、硬件的交界面；
   • 定义了哪些功能由软件实现，哪些功能由硬件实现；
   • 提供了上层软件在编写时，与硬件进行交互的接口；

2. 计算机组成：指实现计算机体系结构所体现的属性。（指从逻辑上实现计算机体系结构层定义的功能）

如果两台机器指令系统相同时，只能认为它们具有相同的结构；而两台机器如何实现其指令的功能，完全可以不同，则认为它们的组成方式是不同的。

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1.2计算机的基本组成

EDVAC：世界上第一台计算机

匈牙利科学家冯诺依曼1945年提出”存储程序“的概念，其被称为现代计算机之父

以”存储程序“概念为基础设计的各类计算机统称为冯诺依曼机。

一、冯.诺依曼计算机的特点

1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成。
2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻址。
3. 指令和数据均用二进制数表示。
4. 指令由操作码和地址码组成。
   • 操作码：用来表示操作的性质；
   • 地址码：用来表示操作数（参与运算的数）在存储器中的位置
5. 存储程序（指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序）
6. 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）

二、计算机的硬件框图

冯诺依曼机结构框图

• 运算器用来完成算数和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；
• 控制器用来控制指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果；
• 存储器用来存放数据和程序；
• 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式；
• 输出设备将机器运算结果转换为人们熟悉的形式；

基于冯诺依曼机的改进：

1. 以存储器为中心的计算机硬件框图

2. 现代计算机硬件框图

三、计算机的工作步骤

用计算机解决问题分两步：

1. 上机前准备

   • 建立数学模型
   • 确定计算方法
   • 编制解题程序（将运算步骤用一一对应的机器指令描述）

2. 上机运行

相关概念：

程序：适合于机器运算的全部步骤。

操作码：表示机器执行的各种操作（指令）。

地址码：表示参见运算的数在存储器中的位置。

机器指令的操作码和地址码都采用0、1代码的组合来表示。

• 主存储器：又称主存或内存，包括存储体，各种逻辑部件以及控制电路等；

  • 存储体由许多存储单元组成，每个存储单元中包含若干个**存储元件（存储基元、存储元），每个存储元件可以存储以为二进制代码“0”或“1”。

  • 存储字：一个存储单元中存储一串二进制代码；称这串二进制代码的位数为存储字长.

  • 按地址访问存储器（访存）：即按地址存取方式，指主存按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存、取的工作方式。

• 寄存器：

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

  • dACC（Accumulator）:累加器

  • MQ（Multiplier-Quotient Register）：乘商寄存器

  • X：操作数寄存器

• 控制器：

  • 工作步骤（完成一条指令的信息流程）
    1. 取指阶段： 从命令存储器读出一条指令；
    2. 分析阶段： 对取出的指令进行分析，指出指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址；
    3. 执行指令： 根据操作数所在的地址以及指令的操作码完成对应操作。
  • 控制器由 程序计数器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR） 和 控制单元（CU） 组成。
    • PC用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路，并且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。
    • IR用来存放当前的指令，IR内容来自MDR；IR中的操作数送至CU，用于分析指令，地址码送至MAR。
    • CU用于分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作指令序列，同于控制所有被控对象。

• I/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口。每一种I/O设备都由I/O接口与主机联系，它接收CU发出的各种控制命令，并完成相应的操作。

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1.3计算机硬件的主要技术指标

1. 机器字长：指CPU一次能处理数据的位数； 通常与CPU中寄存器位数有关（模型机中相等），一般为8位。

​ 字长越长，数的表示范围越大，精度越高；

2. 运算速度：

   • 吉普森法：综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比

     Tm为计算机运行速度；fi为第i次指令占全部操作的百分比数；ti指第i种指令的执行时间。

   

   • 单位：

     • CPI：执行一条指令所需要的时钟周期；（主频倒数）

     • MIPS（百万条指令每秒）： 单位时间内执行指令的平均条数

     • FLOPS（浮点运算次数每秒）

3. 存储容量：存放二进制信息的总位数

   存储器的容量包括主存容量和辅存容量。

   • 主存容量：指主存中存放二进制代码的总位数

     • 存储容量 = 存储单元个数 * 存储字长

     • 现代计算机中常以字节数描述容量的大小

   • 辅存容量：指辅存中存放二进制代码的总位数

     通常用字节数表示。

存放二进制信息的总位数

存储器的容量包括主存容量和辅存容量。

• 主存容量：指主存中存放二进制代码的总位数

  • 存储容量 = 存储单元个数 * 存储字长

  • 现代计算机中常以字节数描述容量的大小

• 辅存容量：指辅存中存放二进制代码的总位数

  通常用字节数表示。