第一章 计算机系统概述
文章目录
1.1 计算机系统简介
计算机系统是由硬件(计算机的实体,如主机、外设等)、软件(由具有各类特殊功能的信息(程序)组成)组成
软件又分为:系统软件(用来管理整个计算机系统:语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件 )、应用软件(按任务需要编制成的各种程序)
1.1.1计算机系统的层次结构
从物理结构划分

从程序员角度划分

1.1.2计算机体系结构和计算机组成

1.2 计算机的基本组成
1.2.1冯诺依曼计算机的特点
-
计算机由五大部件组成(运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备)
-
指令和数据以同等地位存于存储器,可按地址寻访
-
指令和数据用二进制表示
-
指令由操作码和地址码组成
-
存储程序(具有存储程序的计算机都成为冯诺依曼计算机)
-
以运算器为中心

存在的问题:
1、数据的输入、输出都会经过运算器,以运算器为中心导致运算器过于繁忙,成为瓶颈
2、不具有层次化结构
1.2.2以存储器为中心的计算机硬件框图

1.2.3现代计算机硬件框图

第二种解决系统复杂性管理的方法(3’Y)
- 层次化(Hierachy):将被设计的系统划分为多个模块或子模块
- 模块化(Modularity):有明确定义(well-defined)的功能和接口(方便组装在一起,进而形成更大的模块)
- 规则性(regularity):模块更容易被重用(满足国际规则,实现复用,也细化的计算机产业的分工)
1.2.4实践
问题:一个现实中的问题,如何用计算机来解决?
问题能否用用计算机解决:可计算性理论(算法理论)
问题:是不是所有的问题都可以用计算的方法来解决
不是,例如:图灵机停机问题
假设我们面对的是一个可以有计算机解决的问题,如何用计算机来解决这个问题呢?
- 上机前的准备
- 建立数学模型
- 确定计算方法
- 编制解题程序:程序(运算的全部步骤)、指令(每一个步骤)
编程举例

指令格式举例

计算 ax2 + bx + c 程序清单

- 指令和数据以同等地位保存在存储器中
- 指令和数据都是二进制
1.2.5存储器的基本组成
指令和数据都是保存在存储器(内存)中的

1.2.6运算器的基本组成及操作过程

1.2.7控制器的基本组成
控制器基本功能:
- 解释指令:取指令、分析、取操作数、执行指令、保存结果都是由控制器完成
- 保证指令的按序执行

1.2.8一条指令在主机上的完成过程
以取数指令为例

以存数指令为例

1.2.9程序在主机上是如何执行的
ax2 + bx + c 程序的运行过程:
- 将程序通过输入设备送至计算机
- 程序首地址 ——> PC
- 启动程序运行
- 取指令 PC ——> MAR ——> M ——> MDR ——> IR,(PC) + 1 ——>PC
- 分析指令 OP(IR) ——> CU
- 执行指令 Ad(IR) ——> MAR ——> M ——> MDR ——> ACC
- …
- 打印结果
- 停机
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1、机器字长
CPU一次能处理数据的位数,与CPU中的寄存器位数有关
字长越长、性能越好
2、运算速度
-
主频:
-
核数,每个核支持的线程数
-
吉普森法:按照每条指令出现频率,计算指令执行时间的加权平均值

-
CPI 执行一条指令所需时钟周期数
-
MIPS 每秒执行多少百万条指令
-
FLOPS 每秒执行多少浮点运算次数
3、存储容量
存放二进制信息的总位数

本文详细介绍了计算机系统的基础知识,包括计算机的层次结构、冯诺依曼计算机的特点以及现代计算机硬件框图。内容涵盖存储器、运算器、控制器的基本组成,以及程序执行的过程。此外,还讨论了计算机硬件的主要技术指标,如机器字长、运算速度和存储容量。
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