【408考研笔记】计算机组成原理与思维导图（一）第一章 计算机系统概论

计算机组成原理与思维导图（一）

408考研精讲笔记 基于唐朔飞 --《计算机组成原理》

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附：
【408考研笔记】计算机组成原理与思维导图（二）第二章 数值数据的表示
【408考研笔记】计算机组成原理与思维导图（三）第三章 指令系统

第一章 计算机系统概论

一、计算机系统概论

1、计算机的组成

组成：通常是由 硬件系统 和软件系统组成。计算机组成指的是 计算机 系统结构 的逻辑实现，

(一) 硬件系统和软件系统

硬件系统：指计算机的实体部分，由控制器、 运算器、存储器、输入设备、输出设备 组成。

软件系统：又分 系统软件 和 应用软件，常用的系统软件为操作系统、语言处理程序等。软件系统则有文件处理系统等软件。

(二) 系统结构的分类

冯诺依曼系统结构：以 运算器 为中心，包括存储器、控制器、输入设备、输出设备。

现代计算机系统结构：以 存储器 为中心，引出组成由 CPU、主板、硬盘、内存、外存、机箱、电源、输入设备和输出设备。

CPU：由运算器、控制器组成（现代的CPU还有存储器在上面）

内存：又称内存储器和主存储器，一般作用在CPU上

外存：一般指的是硬盘、U盘、光盘、软盘

(三) 系统的层次结构

应用程序-高级语言-汇编语言-操作系统-指令集架构层-微代码层-硬件逻辑层

(四) 思维导图

如图

计算机组成.png

2、计算机系统工作过程

工作步骤：（1）建立数学模型 （2）确定计算方法（3）编制解题程序

如：ax^2+bx+c在计算机中的运行过程

在这里插入图片描述

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各种英文代号解释

CPU:（Central Processing Unit)中央处理器
I/O设备：（Input/Output Equip-ment）输入，输出设备
MM: （Main Memory)主存储器
ALU: （Arithmetic Logic Unit）算数逻辑单元
ACC：（Accumulator）累加器
MQ：（Multiplier-Quotient Register）乘商寄存器
X：操作数寄存器
PC：（Program Counter）程序计数器
IR：（Instruction Register）指令寄存器
CU：（Control Unit）控制单元
MAR：（Memory Address Register）存储器地址寄存器，反映单元个数
MDR：（Memory Data Register）存储器数据寄存器，反映字长

总结：由控制器执行操作，从存储器中获取指令地址，通过指令地址从存储器中获取到数据，最后通过运算器进行运算。

3、总线

总线 是信号的 公共传输线，是连接计算机系统内各个部件的
信息传输线 ，是各部件 的传输介质。

(一) 发展过程及结构

面向CPU的双总线：这种结构在I/O设备与主存交换信息是仍然要占用CPU，因此还会影响CPU的工作效率。

单总线结构（系统总线）：只有一组总线，当都要占用总线时，就会发生冲突。

以存储器为中心的双总线结构：由单总线基础上，在CPU与主存之间连接一条存储总线。

(二) 分类

片内总线：芯片内部的线。

系统总线：计算机各部件之间的信息传输线。
（1）数据总线（双向）：传输数据信息
（2）地址总线（单向）：指出在数据总线上数据在主存单元或 I/O设备 的地址
（3）控制总线（单向，双向）：发出各种控制信号，监视 各部件状态。

通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（外部系统） 传输方式：串行通信，并行通信

(三) 思维导图

如图

在这里插入图片描述

4、计算机的主要性能指标

计算机主要的性能指标描述了一台计算机的性能，性能指标分为 非时间指标 和 时间指标。

(一) 非时间指标

① 字长

【字长】是指计算机参与运算的数的基本位数，它的 位数 是由 加法器 和 寄存器 所决定的 。字长越长，计算的精度就越高。常见的有32位或64位。

② 数据通路宽度

【数据通路宽度】数据通路宽度 ，又称 外部数据总线宽度 ，即 数据总线 一次能 并行处理 的最大信息位数。一般指 运算器与 存储器 之间的数据总线的位数。

③ 主存容量

【主存容量】一个 存储器 所能 存储全部数据的 信息量大小。

④ 存储带宽

【存储带宽】单位时间内与 主存 交换的二进制 位数 B/s

(二) 时间指标

① 吞吐量

【吞吐量】吞吐量 是指系统 在单位时间内请求处理的数量。

【影响吞吐量的因素】：CPU消耗、IO接口消耗、 外部接口消耗。对应消耗越高，吞吐量越低。反之

② 响应时间

【响应时间】响应时间是指系统 对请求作出响应的时间。

【响应时间包括】响应时间包括 CPU的响应时间 （运行一个程序所花费的时间）与 等待时间（磁盘访问、存储器访问、I/O操作） 的总和。

③ CPU主频和CPU时钟周期

【CPU主频和CPU时钟周期】CPU的主频又称时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。而 主频 的 倒数 就是CPU的时钟周期。这是CPU最小的时间元素，每个动作至少需要一个时钟周期。

④ CPI和IPC

【CPI】执行一条指令所用的 时钟周期数

【IPC】每个时钟周期执行的 指令数 。
（在现代常用IPC来表示CPI参数）

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⑤ CPU执行时间

【CPU执行时间】主频与外频的倍数 =主频/外频

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⑥ MIPS和MFLOPS

【MIPS】Million instructions per second，每秒执行多少条
指令/百万。

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【MFLOPS】Million Floating-point Operations per Second，每秒百万个浮点操作。

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(三) 思维导图

如图

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