计算机组成原理——计算机系统概述

一.计算机系统层次结构

1.计算机系统的组成

硬件和软件共同组成了一个完整的计算机系统
软硬件逻辑上的等价的
通常来说，一个功能硬件实现成本更低速度更快，但是软件实现更灵活

2.计算机硬件

（1）冯诺依曼机的基本思想

• 采用**“存储程序”**的工作方式
  （将预定的数据和程序放入主存储器后，一旦程序执行，计算机就自动执行所有执行，也是现代计算机的基本结构）
• 由运算器、控制器、存储器、输入输出设备五大部件
• 指令和数据相同的存储在存储器中，但是计算机可以分辨
• 指令和和数据使用二进制表示
• 指令由操作码和地址码组成

冯诺依曼机的基本工作方式是控制流驱动方式

（2）五大功能部件

输入设备

将程序和数据以及其能识别的方式输入计算机，如键盘鼠标

输出设备

将计算机的结果进行展示，如显示器，打印机

存储器

分为主存储器（内存或主存）和辅助存储器（外存）。
CPU能直接访问主存，辅存要调入主存后才能被访问。

主存包括存储体，地址寄存器（MAR），数据寄存器（MDR）

• 存储体由存储单元组成，存储单元包含存储元件，一个存储元件存储一个二进制位。一个存储单元存储内容称为存储字，位数称为存储字长，一般是字节的偶数倍。（某些计算机按字编址，存储单元就是最基础的编址单元）
• MAR用于寻址，其位数等于存储单元的个数
• MDR用于存放数据，通常等于存储字长

运算器

用于进行算术运算和逻辑运算
核心是算术逻辑单元（ALU），也包含若干寄存器

控制器

由程序计数器（PC），指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成

• PC用于存放当前预执行指令的地址，有自动加“1”功能（“1”指指令长度），与MAR直通
• IR用于存放当前指令，来自MDR，将操作码（OP）送至CU，将地址码（Ad）送往MAR

CPU和主存由一组总线连接，分为地址，数据和控制三组信号线。

（3）.指令执行过程

• 取指令：PC——》MAR——》M——》MDR——IR（简单来说就是PC->IR）
• 分析指令：IR(OP)->CU
• 执行指令：IR（Ad）——》MAR——》M——》MDR——》ACC（PC+1）

2.计算机软件

按照功能，软件分为系统软件和应用软件

• 系统软件，如操作系统，DBMS等基础软件
• 应用软件，泛指用户编写的应用程序

计算机语言与翻译程序

三种级别的语言

• 机器语言，二进制代码，是计算机唯一能直接识别和执行的语言
• 汇编语言，代替二进制的指令代码，经过汇编程序的翻译变成机器语言
• 高级语言，为程序员设计的语言。

翻译程序，将高级语言变为机器语言的系统程序

• 汇编程序（汇编器），将汇编语言变为机器语言
• 解释程序（解释器），将源程序逐条翻译成机器语言并立即执行（如python）
• 编译程序（编译器），将高级语言变为汇编语言，或者直接翻译为机器语言

翻译过程（从源文件到可执行文件，编译程序的一般过程）

• 预处理阶段：处理源文件中‘#’命令
• 编译阶段：编译器进行编译，生成汇编语言源程序
• 汇编阶段：将汇编源文件翻译为机器语言
• 链接阶段：将多个目标文件和导入库合并为一个可执行文件

层次结构

• 1~2层是纯硬件，也成为裸机
• 3~4层是虚拟机器
• 软件和硬件的界面就是指令集体系结构（ISA）

二.计算机性能指标

1.机器字长

常说的“32位，64位机器”就是机器字长，是计算机进行一次运算的二进制位数，等于CPU内部用于整数运算的数据通路的宽度，也与CPU的寄存器和ALU位数有关，与运算精确度紧密相关

存储字长，指存储单元的位数
指令字长，指一个指令字的位数
字长，一般单只机器字长
三种字长必须都是字节的整数倍

2.数据通路带宽

指数据总线一次能并行传输的位数

3.主存容量

主存储器的容量，可以用字节B衡量，也可以用字数*字长衡量

MAR位数反应了存储单元（存储字）个数，MDR位数反应存储单元的字长，所以MAR位数*MDR位数就是存储容量

4.运算速度

吞吐量和响应时间

• 吞吐量，指系统单位时间内处理请求的个数
• 响应时间，从发出请求到返回结果的时间，包括CPU时间和等待时间（访存，IO操作等）

主频和时钟周期

• CPU时钟周期，CPU工作的最小时间单位
• 主频，CPU时钟频率，即时钟周期的倒数，表示每秒有几个时钟周期
• CPI，执行一条指令花费的时钟周期数

  对于一个机器，CPI一般指平均CPI（IRS）

• IPS，每秒执行多少指令，IPS=主频/平均CPI

CPU的性能主要取决于主频，CPI，指令条数，三者互相制约。

FLOPS，每秒执行多少浮点运算

MFLOPS，每秒百万次
GFLOPS，每秒10亿次
TFLOPS，每秒万亿次
PFLOPS，每秒千万亿次

基准程序，专门用来进行性能评价的一组程序

三.其他专业术语

系列机，具有相同体系结构的不同型号的计算机成品系列
固件，将程序固化在ROM的部件，如操作系统已经部分固化。