第一章 计算机系统概述

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。

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

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