408计算机网络考研笔记——第一章计算机系统概述

一、计算机系统组成

    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:

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    发展趋势:更微型、多用途;更巨型,超高速 

二、计算机系统的硬件基本组成

1.早期冯·诺伊曼机

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

408计算机网络考研笔记——第一章计算机系统概述_第2张图片、可将计算机程序运行类比于工厂工作:

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注意:在计算机系统中,软件和硬件在逻辑上等效。

2.现代计算机

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 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:

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 3.各硬件的工作原理 

注意:计算机硬件可直接执行的只有机器语言。

 3.1  主存储器

 结构图:408计算机网络考研笔记——第一章计算机系统概述_第6张图片

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

3.2  运算器

用于实现算术运算(加减乘除)、逻辑运算(与或非)

结构图:

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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)

408计算机网络考研笔记——第一章计算机系统概述_第8张图片3.3  控制器

结构图:

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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

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3.4  工作过程

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 过程总结:

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三、计算机软件

       计算机软件包括系统软件应用软件两大部分,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

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 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。

四、计算机系统的的层次结构

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五、计算机系统的工作原理

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 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

 六、计算机性能指标

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=2^{10},M=2^{20},G=2^{30},T=2^{40}

②描述频率、速率时:K=10^{3},M=10^{6},G=10^{9},T=10^{12},P=10^{15},E=10^{18},Z=10^{21}

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。

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