Ⅰ.计算机系统简介

1. 计算机的软硬件

软硬件的关系

软件可分为系统软件和应用软件：

所谓系统软件，一般有：语言处理程序，操作系统，服务性程序，数据库管理系统和网络软件等；
所谓应用软件，一般指的是：按任务需要编制成的各种程序，如平时使用的浏览器，播放器等

2.计算机的层次结构

计算机层次结构

其中，M₀和M₁由硬件实现；M₂，M₃和M₄则是软件来实现；而虚线则表示软硬件之间的接口，它完成了计算机系统功能的分配。

3.计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构与组成

计算机体系结构中所指程序员，是机器语言程序员；机器语言程序员要编写一个能够在计算机硬件系统上正确运行的程序所必须了解的属性，诸如指令集，寄存器文件的组织，内存的编址单位，以及指令集能对哪些指令进行操作；
计算机组成则是关于诸如如何取指令，分析指令，取操作数，运算，送结果等，实现的是具体指令；
如果把计算机结构概括成有无乘法指令（有没有），那么计算机组成应该是考虑如何实现乘法指令（怎么做）

Ⅱ.计算机的基本组成

1.冯·诺依曼计算机的特点

① 由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成
(计算机由五大部件组成)
② 指令和数据以同等地位存放于存储器，可以按地址寻访
③ 指令和数据以二进制存储
④ 指令由操作码和地址码组成；操作码表示操作的性质，地址码标志操作数在存储器中的位置
⑤ 存储程序
⑥ 机器以运算器为中心；输入设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

2.冯·诺依曼计算机硬件框图

冯·诺依曼计算机硬件框图

其中，实线表示数据通路，虚线表示控制以及状态反馈

3.以存储器为中心的计算机结构框图

以存储器为中心的计算机结构框图

其中，大箭头表示数据线，表示数据传输的方向；实线箭头表示控制线，表示控制信号传输的方向；虚线箭头则为反馈线，运算结果或信号反馈通过反馈线进行传输。

4.现代计算机硬件框图

现代计算机硬件框图

计算机将硬件结构分为了五大部分，其中运算器(ALU)与控制器(CU)组成了CPU；而CPU又与存储器中的主存组成了主机；主机与由输入输出设备组成的I/O设备组成了现代计算机硬件框架。
图中大箭头表示数据线，实线箭头表示控制线，红色箭头表示反馈线。

5.系统复杂性管理的方法(3Y)

层次化(Hierachy)：将被设计的系统划分为多个模块或子模块
模块化(Modularity)：有明确定义(well-defined)的功能和接口
规则性(Regularity)：模块更容易被重用

6.计算机的工作步骤

1. 上机前的准备

建立数学模型
确定计算方法
编制解题程序
- 程序——运算的全部步骤
- 指令——每一个步骤
  
  上机前的准备

如下给出操作码与操作性质的对应表：

操作码表

并且，操作码与地址码共同组成了操作指令；一个完整的指令格式，应同时由操作码与地址码两部分组成。

2. 计算机的解题过程
（1）存储器的基本组成

存储器的基本组成

主存储器（主存）包括存储体M、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，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码0或1。假设下列对应关系：

存储体——存储单元——存储元件（0/1）
大酒店——酒店房间——房间床位（无人/有人）

那么，存储单元即可存放一串二进制代码；存储字即存储单元中二进制代码的组合；存储字长则表示存储单元中二进制的位数；
并且，存储器是按地址寻访的，每个存储单元将会被赋予一个地址。

在上图中，MAR即为存储器地址寄存器，A是Address的首字母，它反映了存储单元的个数，因此其位数与存储单元个数有关；
同理，MDR即存储器数据寄存器，D是Data的首字母，它反映了存储字长。

（2）运算器的基本组成
运算器最少包括3个寄存器和一个算术逻辑单元(ALU)。其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。（不同机器的运算器结构不同）

各寄存器所存放的各类操作数

（3）控制器
控制器指挥着各部件自动、协调地工作。完成一条指令分为三个阶段——取指阶段（从存储器读出一条指令，而程序计数器PC保存了当前欲执行指令的地址，PC具有计数功能，以此可以继续指出后续指令的地址）、分析阶段（这个阶段对指令进行分析，指出指令要完成何种操作，并按寻址特征指明操作数的地址；因此需要指令寄存器IR保存当前欲执行的指令）、执行阶段（根据操作数所在地址及指令的操作码完成某种操作；上述的操作由控制单元CU控制完成）

Ⅲ. 计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长

概念：CPU一次能处理数据的位数
它与CPU中的寄存器位数有关

2.运算速度

运算速度

吉普森法是按照每条指令在全部指令中的占比作为权值，与执行一次该指令所需时间的乘积作为一个和项；将每一条指令的项作和即可得到吉普森法定义的机器运行速度。
现在的的机器运算速度普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并以图中的MIPS为计量单位。
类似的，也可以用CPI或FLOPS来衡量运算速度；其中以FLOPS更为合适。

3.存储容量

存放二进制信息的总位数

存储容量

值得注意的是，主存容量中的存储单元个数指的是个数，而MAR指的是位数，因此其容量为2^MAR位数×MDR位数

Written by Tknight9 ©

Written in 11/29/2020

[计组] №1. 计算机系统概论