计算机系统概述

硬件的种类和作用

冯诺依曼体系

早期冯诺依曼体系是以运算器为核心的，因为早期的计算机做不到同时实现运算和控制，对数据处理的要求也不高。

图形里的实线表示数据线，可以看到每次运算都要经过IO，效率低。

现代计算机以存储器为核心，实线是数据方向。（还有控制方向没画出来）

主机与外部设备

• 裸机：没装任何软件

• 一个功能既可以由软件实现，也可以由硬件实现（一般来说硬件实现更快），只不过软件实现的成本更低，所以大多时候会选软件。

• ISA：指令集体系结构，表示软件和硬件的界面

存储程序的工作方式

1. 程序和数据是同等地位放入存储器（存储方式和存储形式都一样，所以是同等地位），CPU根据指令周期的不同阶段来区分指令和数据。

2. 计算机在工作中从程序首地址取出第一条指令并执行，之后再顺序执行其他指令，直至程序执行完成（存储程序保证了计算机能自动控制处理程序）

3. 语言分类

   机器语言：01

   汇编语言：操作码+地址

   高级语言：C、C++等

   解释型：Python

   编译型：C/C++

4. 编译程序：将高级语言一次性翻译成汇编语言或机器语言（C++/C）

​ 汇编程序：汇编语言翻译成机器语言

​ 解释程序：写一条翻译一条（Python、Shell)

计算机性能指标

• 字长：计算机进行一次运算所能处理的二进制的位数，通常是8的整数倍。与加法器和寄存器有关。（一般来说，字长==寄存器的大小）
• 数据通路带宽：数据总线一次传送信息的位数
• 主存容量：主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节或者字节*位数来衡量。如16字节，16B * 8位
• MDR:主存数据寄存器，保存写入或读到的数据
• MAR:主存地址寄存器，保存数据去的位置，和数据来源位置
• MAR为16位，表示有2^16个存储单元，64K内存，表示的主存容量为64K* 8位
• 吞吐量：系统单位时间内处理请求的数量。可用比特、字节等测量。取决于主存（取决于数据能多快写入主存、CPU多快取指令、数据多快从主存取出，以及结果多快送给外设，每一步都与主存有关）
• 响应时间，系统对请求作出响应的时间。响应时间=CPU时间+等待时间
• 存储字是存储在一个存储单元内的二进制组合，存储字长是存储在一个存储单元内的二进制代码位数。

CPU时间：CPU执行指令所花费的时间

等待时间：磁盘访问、存储器访问等等。

CPU

• CPU时钟周期：CPU最小的时间单位，一个指令执行最小需要一个时钟周期，1/主频。

• 主频：机器内部主时钟的频率，频率越快，运行速度越高，表示1s内可以执行多少个时钟周期，单位是Hz

  10Hz表示1s执行的频次是10，即1s执行10个时钟周期，则时钟周期=1/10=0.1s

  5M赫兹表示1s执行5*10⁶个时钟周期，则时钟周期=1/(5 *10⁶)=0.2μs

• CPI：执行一条指令需要的时钟周期数。对于一个程序来说，其CPI就是程序翻译成的指令集合的指令CPI的平均值。

  一个程序，翻译成5条指令，指令的CPI分别为1、2 、3 、4、5，那程序CPI就是3

  主频/CPI=指令的条数（一秒内执行的时钟周期/一条指令需要的时间周期==一秒内一共可执行多少条指令）

• CPU执行时间=程序运行所需要的时钟周期/主频=指令条数*CPI/主频。

• MIPS：每秒执行多少百万条指令。

MIPS=主频/(CPI*10⁶)

MIPS=指令条数/(执行时间*10⁶),可以零执行时间等于1s进行理解

但其实MIPS对不同机器的比较有缺陷，不同机器的指令集不同，所以不同机器的MIPS比较就不是同一基准了

• MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点数运算

GFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点数运算

TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点数运算

MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10⁶)

GFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10⁹)

TFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10¹²)

PFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10¹⁵)

EFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10¹⁸)

ZFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10²¹)

术语

系列机：使用相同的基本指令系统的多个不同型号计算机形成的产品系列（奔腾系列）

固件：程序固化在ROM中的部件，吸收了软硬件的优点，执行速度大于软件，灵活性大于硬件。

RAM,随机存取存储器，断电丢失数据，如电脑里的运行内存。

ROM,只读存储器，断电不丢失数据，但是只读，不能说是电脑的固态硬盘，因为电脑硬盘可读可写。闪存基于ROM发展起来，只是有一定的关系。

RAM和ROM都是内存，硬盘是外存，和RAM、ROM没啥关系，RAM可以对标运行内存，ROM不能对标硬盘。

刷题小结

• 冯诺依曼计算机的核心思想是存储程序控制。
• 输入输出设备是为了实现用户与计算机之间的信息交互
• 直接执行微指令的不是微指令程序，而是硬件，微程序的作用是解释机器指令。
• 计算机硬件能够执行的是机器语言程序。
• 源程序到目标代码文件的过程是编译（目标代码是汇编语言，汇编过程将汇编语言翻译成机器语言，把目标文件链接生成可执行文件的过程过程叫链接）
• CPI的英文是Clock cycle Per Instruction,所以不要把程序的CPI当成指令的条数，而是当成指令的时钟周期。
• 指令条数一样，CPI不同，运行的时间也不会一样，因为指令条数*CPI=CPU要运行的时钟周期，所以CPU的执行时间不仅仅取决于一个因素。
• 机器字长=ALU的位数=通用寄存器的位数，指令寄存器的位数取决于指令。
• M G T P E Z,依次往上递增10³ (注意是10⁶起步，不是10³)

免责声明

敬请大佬斧正,自己总结记录的不一定对。