第一章 计算机系统概述

第一章 计算机系统概述

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

1. 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）

2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访

3. 指令和数据用二进制表示

4. 指令由操作码和地址码组成

5. 存储程序（具有存储程序的计算机都成为冯诺依曼计算机）

6. 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？

1. 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：

1. 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
2. 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

1. 主频：

2. 核数，每个核支持的线程数

3. 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

   

4. CPI 执行一条指令所需时钟周期数

5. MIPS 每秒执行多少百万条指令

6. 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