【计组】第一章 计算机系统概述

(胡科大教书匠版)

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1-1 计算机系统的组成

计算机系统分为软件与硬件两部分

软件: 系统软件(操作系统,标准程序库);应用软件(科学计算,过程控制)

硬件: 主机,外设

计算机系统性能的好坏,取决于硬件和软件功能的总和。

习题

1-2计算机的发展

发展史

电子管-> 晶体管-> 集成电路-> 超大规模集成电路

体积越来越小,功耗越来越低,可靠性越来越高,速度越来越快

摩尔定律

集成电路上可容纳的晶体管数目大约每经过18到24个月便会增加一倍。

换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。

软件发展

机器语言-> 汇编语言-> 高级语言-> 面向对象

发展趋势

小结

1-3 计算机硬件

冯·诺伊曼计算机架构

五大部件: 运算器、控制器、存储器、输入/输出设备。

冯诺依曼架构以运算器为中心,每次输入/输出操作都需要运算器参与，浪费很多可以用于运算的时间

现代计算机以存储器为中心，输入/输出直接与存储器交互，提高整体效率

五大部件各自的作用

输入/输出设备:接收外部输入信息经过计算机处理再输出给用户。

存储器(主存/辅存): 主存储器，存放程序与数据，直接与CPU交互，又称内存或主存；辅助存储器，帮助主存存储更多数据，又称外部存储器。外存中的数据必须读入主存后才能被CPU访问。

运算器(ALU+相关寄存器):核心为算术逻辑单元ALU，主要进行算术与逻辑运算。

控制器(CU+相关寄存器): 核心为控制单元CU，用于解析存储器中的命令，并发出各种操作命令来执行指令；I/O设备也受CU控制，用于完成相关的I/O操作。

中央处理器CPU: 现代计算机中将运算器与控制器集成在同一颗芯片上，合称为CPU。

存储器: 存储器分为主存与外存，外存帮助主存储存更多数据，外存的数据必须被读取到内存才能被CPU访问。

外部设备: I/O设备与外存共同被称为外部设备

习题

冯·诺伊曼机的基本思想是存储程序控制

操作数在存储器中的位置由地址码表示，而不是直接包含在指令中。

运算器的主要功能是算术运算与逻辑运算，不仅仅是算术运算

CPU与主存储器合起来可称为主机

数据并不直接在指令中，而是通过地址码表示其在存储器中的位置

小结

1-4计算器软件

计算机软件的分类

计算机软件: 系统软件(为了高效利用硬件资源以及开发应用软件)；应用软件(解决应用领域的相关问题)。

计算机软件的发展

机器语言: 使用机器指令的二进制编码编写程序,繁琐易出错不宜排错；计算机可以直接识别与执行，又称目标程序。

汇编语言: 用符号化指令（如MOV、ADD等）代替二进制编码，更简单直观便于记忆；计算机无法直接识别与执行，需要先通过汇编器翻译为机器语言。

高级语言: 用接近数学或人类语言的语法（如FORTRAN、C等）编写程序，直观通用，与具体机器无关，易学易用（如使用数学表达式或英语关键字）；计算机无法直接识别与执行，需要通过编译器翻译为汇编语言或机器语言。

程序设计语言和语言翻译程序的关系

习题

1-5计算机系统的层次结构

计算机系统的分层思想(抽象封装，逐层透明)

软件和硬件的逻辑功能等价性

一些特定的任务，即可以用软件编程实现，也可以设计专用硬件电路实现。

习题

1-6 计算机的基本工作原理

计算机硬件的细化

运算器

ACC(累加器) MQ(乘商寄存器) X(操作数寄存器)

加法操作过程

读取存放在主存中的加数(M)保存到操作数寄存器(X)中，将累加器(ACC)中的被加数与操作数寄存器(X)中的加数相加，将结果(和)保存在累加器ACC中

减法操作过程

读取存放在主存中的减数(M)保存到操作数寄存器(X)中，将累加器(ACC)中的被减数与操作数寄存器(X)中的减数相减，将结果(差)保存在累加器ACC中

乘法操作过程

读取存放在主存中的乘数(M)保存到乘商寄存器(MQ)中,将累加器(ACC)中的被乘数，保存到操作数寄存器(X)中；将操作数寄存器(X)中的被乘数与乘商寄存器(MQ)中的乘数相乘，将结果(积)的高位保留在累加器(ACC)中，低位保留在乘商寄存器(MQ)中。

除法操作过程

读取存放在主存中的除数(M)保存到操作数寄存器(X)中，将累加器(ACC)中的被除数与操作数寄存器(X)中的除数相除，结果(商)保留在乘商寄存器(MQ)中，余数保留在累加器(ACC)中。

存储器

控制器

控制器是计算机的神经中枢，从主从中读取指令，称为寻指过程；

对指令进行分析，解析是何种操作，并按寻址特征指明操作数的地址，称为分析过程

根据指令的操作码和操作数所在的地址完成某种操作，称为执行过程。

PC(控制器程序计数器)用来存放当前欲执行指令的地址

PC与MAR(存储器地址寄存器)之间有直接通路

PC自动形成下一条指令的地址(自增)

IR(控制器指令寄存器)用来存放当前指令

IR中的内容来自MDR(存储器数据寄存器)

IR中的操作码会送至CU(控制器控制单元)，用来分析指令

IR中的地址码作为操作数的地址送至MAR(存储器地址存储器)，用来从内存中取操作数。

CU(控制器控制单元)用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

机器指令简介

计算机基本工作流程

取指:

初始化状态 PC(控制器程序计数器)=0，指向主存储器存储体中的第一条指令。

首先对第一条指令进行取指，将PC中存放的指令地址送到MAR(存储器地址寄存器)，对内存进行寻址，并命令内存做读操作，将读取到的内容送到MDR(存储器数据寄存器)。

再将MDR中的内容送至控制器的IR(指令寄存器)。

分析:

将IR(控制器指令寄存器)中保存的指令的操作码送至CU(控制器控制单元)进行分析，得出要执行的操作类型。

执行:

将IR(控制器指令寄存器)中保存的指令的地址码送至MAR(存储器地址寄存器)对内存进行寻址，并命令内存做读操作，此时将存储体中对应存储单元中的内容送至MDR(存储器数据寄存器)，将MDR中的内容送至运算器ACC

习题

1-7计算机系统的性能指标

软硬件与计算机系统性能的关系

计算机硬件相关性能指标

基本性能指标

机器字长

主存容量

吞吐量

响应时间

习题

与运算速度相关的性能指标

CPU时钟频率和时钟周期

CPI

CPU执行时间

IPC

MIPS

MFLOPS

习题