计算机系统概述

（一）计算机发展历程

1.世界上第一台电子数字计算机是1946年问世的ENIC（Electronic Numerical Integrator And Computer）。

2.根据计算机采用的电子器件可分为四类：
（1）第一代——电子管计算机
（2）第二代——晶体管计算机
（3）第三代——小、中规模集成电路（SSI，MSI）计算机
（4）第四代——大、超大规模集成电路（LSI，VLSI）计算机

（二）计算机系统层次结构

1. 计算机系统的基本组成

1.1 一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统。

1.2 早期的冯·诺依曼机特点：

1. 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。
2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
3. 指令和数据均用二进制数表示。
4. 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作码在存储器中的位置。
5. 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6. 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

注：现代计算机以存储器为中心。

2. 计算机硬件的基本组成

2.1 计算机硬件的组成及作用：

1. 运算器（ALU）：完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
2. 存储器：存放数据和程序。
3. 控制器：控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。
4. 输入设备：将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等。
5. 输出设备：将机器运行结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输出等。

2.2 计算机软件的组成：

1. 系统软件：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、计算机网络软件等。
2. 应用软件（应用程序）：科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序、各种APP等。

2.3 说明

1. 中央处理器（CPU）：运算器和控制器。
2. I/O设备：输入设备和输出设备。
3. 地址寄存器（MAR）：存放欲访问的存储单元地址。
   数据寄存器（MDR）：暂存要从存储器中读或者写的信息。
4. 运算器：包含若干通用寄存器，如累计器（ACC）、乘商寄存器（MO）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）、程序状态寄存器（PSW）等。
5. 控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）组成。

3. 计算机硬件和软件的关系

硬件和软件是一个完整的计算机系统互相依存的两大部分，它们的关系主要体现在以下几个方面。

1. 硬件和软件互相依存：硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。
2. 硬件和软件无严格界线： 随着计算机技术的发展，在许多情况下，计算机的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现。因此，硬件与软件在一定意义上说没有绝对严格的界面。
3. 硬件和软件协同发展：计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。

4. 计算机的工作过程

计算机的工作过程可分为以下几个过程：

1. 把程序和数据装入到主存储器中。
2. 从程序的起始地址运行程序。
3. 用程序的首地址从存储器中取出第一条指令，经过译码、执行步骤等控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令功能，并计算下一条指令的地址。
4. 用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止；每一条指令都是在取指、译码和执行的循环过程中完成的。

（三）计算机性能指标

1. 机器字长：计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数。数的表示范围越大，计算精度越高。

2. 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数。

3. 主存容量：主存储器所能存储信息的最大容量，用字节或字数×字长表示。MAR的位数反映了存储单元的个数。
   如：MAR为16位，则有2¹⁶ 个存储单元（即64K内存，1K=1024），若MDR为32位，表示存储容量为64K×32位。

4. 运算速度：

（1）吞吐量和响应时间

• 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，主要取决于主存的存取周期。
• 响应时间：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 结果的等待时间。

（2）主频和CPU时钟周期

• 主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率，即CPU时钟周期的倒数，常以MHz为单位，1MHz表示每秒1次。
• CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，是CPU中最小的时间单位。

（3）CPI：执行一条指令所需要的时钟周期数。

（4）CUP执行时间：运行一个程序所花费的时间。
   CUP执行时间 = CPU时钟周期数 / 主频 = (指令条数 × CPI）/ 主频

（5）MIPS、MFLOPS、GFLOPS和TFLOPS

• MIPS：每秒执行多少百万条指令。
  MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 10⁶）= 主频 / CPI

• MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算。

• GFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点运算。

• TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点运算。