计算机系统概论

提示：星河不问赶路人，岁月不负有心人

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前言知识

机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数
.exe文件就是用机器语言描述的程序

1.1 计算机的发展

计算机系统=软件+硬件
软件分为系统软件和应用软件
系统软件：用来管理整个计算机系统（eg:操作系统，数据库管理系统，标准程序库，网络软件，语言处理程序，服务程序）
应用软件：按任务需要编制成的各种程序（eg:抖音，王者荣耀，迅雷等）
硬件的发展
第一台电子数字计算机：ENIAC(手动接线来控制计算) 1946 逻辑元件：电子管
第二代：逻辑元件：晶体管
第三代：逻辑元件：中小规模集成电路，将元件集成在基片上
第四代：逻辑元件：大规模，超大规模集成电路，开始出现“微处理器”，微型计算机 ，个人计算机pc 萌芽 苹果A13制造工艺：7nm 也就是每一个逻辑元件不超过七纳米的工艺水平，微处理器8080机器字长8位，微处理器8086机器字长16位
摩尔定律：揭示了信息技术进步的速度，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍
计算机硬件的基本组成：早期冯诺依曼机的结构，现代计算机的结构

1.2 计算机硬件的基本组成

早期冯诺依曼机

“存储程序”的概念是指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个指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束，就不需要每一步都进行手工连接的操作，进而来提高速度
输入设备：将信息转换成机器能识别的形式
存储器：存放数据和程序
运算器：算术运算逻辑运算
输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式
控制器：指挥程序运行，控制器从存储器中读取一个指令的数据流，这样他才会指挥运算器
在计算机系统中：软件和硬件在逻辑上是等效的，意思也就是同一个功能可以使用软件实现，但是也可以使用硬件实现，eg:对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现
冯诺依曼计算机的特点：1：计算机由五大部件组成，2：指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访，3：指令和数据用二进制表示 4：指令由操作码和地址码组成 5 存储程序，6 以运算器为中心，输入/输出设备与寄存器之间的数据传送通过运算器完成
现代计算机的结构

以存储器为中心， 输入输出设备直接从存储器存取数据，这样就可以解放更多的运算器的时间，由于运算器以及控制器的关系十分紧密，所以在大规模集成电路出现之后，这两个东西通常被集成于同一个芯片上，这个芯片通常也就叫cpu,cpu通过控制线控制运算器，你接下来要执行的是什么操作，另外控制器也会控制主存储器的一个读写，以及输入输出设备的启动与停止，主存储器也会与cpu进行数据的交换，第一种就是参与运算的数据会放在运算器中，指令会放在控制器中，由控制器来进行解析，并发出相应的控制信号，主存储器和cpu统称为主机，主存和辅存统称为存储器，这里要注意主存(运行内存)属于主机，而辅存(机身存储)属于i/o设备
主存储器的基本组成

主存储器有三个部分：存储体，MAR,MDR
主存储器中用于存储数据的东西叫做存储体，存储体是由一系列的存储元件组成的，可以存放二进制的零或者一
MAR: 存储地址寄存器
MDR:存储数据寄存器
cpu会将它想读的数据的地址写到MAR中，主存储器就可以根据MAR中的地址并把数据先写到MDR中去，最后cpu就可以通过数据线路从MDR中取走数据，写也是同样的操作 cpu会将要写的数据的地址放在MAR中,将数据存放在MDR中，最后cpu会通过控制总线告诉主存储器，这次要执行的是写操作 主存储器可根据这三个信息便可写入数据
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码，存储字：存储单元中二进制代码的组合，存储字长：存储单元中二进制代码的位数，存储元：既存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
运算器的基本组成
运算器：用于实现算术运算，逻辑运算
ACC:累加器，用于存放操作数，或者运算结果
MQ;乘商寄存器，在乘，除运算时，用于存放操作数或者运算结果
x：通用 的操作数寄存器，用于存放操作数
ALU(核心单元):算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算，逻辑运算
控制器的基本组成
CU:(核心单元)控制单元，分析指令，给出控制信号
IR：指令寄存器，存放当前执行的指令
PC:程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能
完成一条指令：取指令PC 分析指令IR 执行指令CU

计算机系统的层次结构

下层是上层的基础，上层是下层的扩展
编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次，生成.exe文件，下次直接点击exe文件即可）
解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应机器语言的语句，并立即执行，紧接着再翻译下一句（每一次执行都要翻译）

1.3 计算机的性能指标

存储器的性能指标
MAR位数反映存储单元的个数(最多支持多少个)
MDR位数=存储字长=每个存储单元的大小
总容量=存储单元个数存储字长(bit) 1Byte=8bit
cpu主频(时钟频率)：cpu内数字脉冲信号震荡的频率 等于时钟周期分之一
cpi:执行一条指令所需要的时钟周期数（不同的指令，cpi不同，甚至相同的指令，cpi也可能有变化）
执行一条指令的耗时=cpicpu 时钟周期
IPS每秒执行多少条指令，IPS=主频/平均CPI

系统整体的性能指标
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)
吞吐量：指系统再单位时间内处理请求的数量 系统的吞吐量主要取决于主存的存取周期
响应时间：指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它所需要的结果的等待时间
基准程序是用来测量计算机处理速度的一种实用程序 也就是跑分软件