计算机系统=硬件系统+软件系统(系统软件、应用软件)
硬件系统发展史:
发展趋势:更微型、多用途;更巨型,超高速
特点:1)采用“存储程序”的工作方式;
2)计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成;
3)指令和数据以同等地位存储在存储器中,形式上没有区别;
4)指令和数据均用二进制代码表示,指令由操作码和地址码组成,操作码支出操作类型,地址码指出操作数地址;
5)以运算器为中心。
“存储程序”:指令以二进制代码的形式提前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条指令,以后就按该程序的规定顺序执行其他指令,直至程序执行结束。
冯·诺伊曼机工作方式基本特点:控制流驱动方式
注意:在计算机系统中,软件和硬件在逻辑上等效。
现代计算机与早期冯·诺伊曼机区别:现代计算机以存储器为核心。
CPU=运算器+控制器
具体结构:
注意:计算机硬件可直接执行的只有机器语言。
MAR位数对映存储单元的个数(存储单元个数 = 2^MAR位数),用于寻址;
MDR位数 = 存储字长 = 每个存储单元的大小;
存储字:存储单元中存储的内容;
存储字长:存储单元中存储内容的长度
用于实现算术运算(加减乘除)、逻辑运算(与或非)
结构图:
ACC:累加器,用于存放操作数或运算结果;
MQ:乘商寄存器,在乘除运算时用于存放操作数或运算结果;
X:通用的操作数寄存器,用于存放操作数;
ALU:算术逻辑单元,通过内部电路实现算术运算和逻辑运算(核心)。
结构图:
CU:控制单元,分析指令给出控制信号(核心);
IR:指令寄存器,存放当前执行的指令(对用户透明不可见);
PC:程序计数器,存放下一条指令地址,自动加一
过程总结:
计算机软件包括系统软件和应用软件两大部分,其中应用软件是为了解决某个应用领域的问题而编制的程序,系统软件负责管理硬件资源,并向上层应用程序提供基础服务。
系统软件主要包括:操作系统(OS)、数据库管理系统(DBMS)、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序等。
三种级别的语言:机器语言、汇编语言、高级语言
对于软件和硬件的逻辑功能等价性:同一个功能既可以用硬件实现(性能高成本高),也可以用软件实现(性能低成本低)。指令集体系结构(ISA):软件和硬件之间的界面,定义一台计算机可以支持哪些指令、每条指令
的作用和每条指令的用法。
高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的过程:预处理->编译->汇编->连接
1.总容量 = 存储单元个数*存储字长(bit 1/8Byte)
2.CPU主频:CPU内数字脉冲信号振荡的频率 = 1/CPU时钟周期
3.CPI:执行一条指令所需的时钟周期数(可受系统结构、指令集、计算机组织等多方影响)
执行一条指令耗时 = CPI*CPU时钟周期
4.CPU执行时间(整个程序耗时) = CPU时钟周期数/主频 = (指令条数*CPI)/主频
5.IPS:每秒执行多少条指令 = 主频/平均CPI
6.FLOPS:每秒执行多少次浮点数运算(科学计算的计算机标志系统性能最有用的参数)
注意:①CPU性能取决于三个因素:主频、CPI和指令条数。
系统整体的性能指标:
静态指标:
1.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)
注意:这里的数据通路带宽指外部数据总线的宽度,与CPU内部的数据总线宽度可能不同。
数据通路:各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径。
2.吞吐量:指系统在单位时间内处理请求的数量(取决于信息输入内存的速度、CPU取指速度、数据从内存存取速度和结果从内存向外设发送的速度),系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
3.响应时间:指从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所消耗的时间(通常包括CPU时间与等待时间(磁盘访问、存储器访问、IO操作、操作系统开销等时间))
注意:高性能计算机的设计重要技术途经是采用并行处理技术(多处理机)
动态指标:
4.基准程序:专门用来进行性能评价的一组程序,能很好地反映机器在实际负载时的性能。
常用数量单位:
①描述存储容量、文件大小时:K=,M=,G=,T=
②描述频率、速率时:K=,M=,G=,T=,P=,E=,Z=
其他指标:
1.字长:计算机一次整数运算所能处理的二进制数据的位数,通常为字节(8位)整数倍
2.主存容量:主存储器所能存储信息的最大容量,通常以字节衡量,也可用字数*字长表示,其中MAR位数反映了存储单元个数,MDR位数反映了存储单元的字长。