【计组】第一章 计算机系统概述

计算机系统概述

计算机的发展历程

1. 计算机硬件的发展

   电子管时代 --> 晶体管时代 --> 中小规模继承电路时代 --> 超大规模集成电路时代

2. 计算机元件的更新换代

   1. 摩尔定律：当价格不变时，集成电路可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也提升一倍。（18个月后的CPU性能是现在的两倍）

   2. 半导体存储器的发展

   3. 微处理器的发展：标志了微型计算机的发展

   

   机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数

   操作系统位数：其 所依赖的指令集的位数

3. 计算机软件的发展

   1. 发展经历：面向机器语言（机器语言、汇编语言） --> 面向问题的高级语言

      1. 机器语言：二进制代码，唯一可以直接执行的语言

      2. 汇编语言：用助记符编写，以便记忆

      3. 正则语言：编译原理中符合正则文法的语言

   2. 高级语言的发展真正促进了软件的发展

      科学计算和工程计算的FORTRAN --> 结构化程序设计的PASCAL --> 面向对象C++ --> 适应网络环境Java

   3. 系统软件的发展（直接影响计算机性能提升），尤其是操作系统（Windows、UNIX、Linux等）

   4. 只有当程序执行时才将源程序翻译成机器语言，并且一次只能翻译一行语句

      1. 解释程序：翻译一句执行依据，边翻译边执行
      2. 编译程序：将高级语言的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序再执行
      3. 编译：由高级语言转化为汇编语言
      4. 汇编：把汇编语言源程序翻译成机器语言程序

4. 计算机的分类与发展方向

   1. 电子计算机、数字计算机、通用计算机

      

   2. 按指令和数据流：

      1. 单指令流和单数据流系统（SISD）：冯诺依曼体系结构

         

      2. 单指令流和多数据流系统（SIMD）：阵列处理器、向量处理器

         

      3. 多指令流和单数据流系统（MISD）：实际上不存在

      4. 多指令流和多数据流系统（MIMD）：多处理器、多计算机

         

   3. 发展趋势：两极分化

      1. 微型计算机：更微型化、网络化、高性能、多用途

      2. 巨型机：巨型化、超高速、并行处理、智能化

计算机系统层次结构

计算机系统的组成

1. 硬件系统和软件系统
2. 计算机系统性能的好坏，很大程度上由软件的效率和作用来表征
3. 软硬件在逻辑上是等效的（某一功能可以用软件实现也可以用硬件实现）

计算机硬件的基本组成

1. 早期的冯·诺依曼机：“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构

   

   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组成

   2. 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可以按地址寻访

   3. 指令和数据均用二进制代码表示

   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数在存储器中的位置

   5. 指令在存储器内按顺序存放，通常是顺序执行的

   6. 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据

      

2. 现代计算机的组织结构

   以存储器为中心，使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成

   

   目前大多数现代计算机仍遵循冯·诺依曼存储程序的设计思想

计算机的功能部件

存储器

1. 用来存放程序和数据

2. 分为主（内）存储器和辅助（外）存储器，CPU能够直接访问的存储器是主存储器，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所访问

   

3. 主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元(件)，每个存储元(件)存储一位二进制代码0或1。因此存储单元可存储一串二进制代码，成为这串代码为存储字，这串代码的位数为存储字长。

   

   b：bit 一个二进制位 B：Byte字节，八个二进制位

4. 主存储器是按存储单元的地址进行存取，相联存储器是按照内容访问的

5. 主存储器的最基本组成：

   

   1. 存储体：存放二进制信息

   2. 地址寄存器（MAR）：存放访问地址，经过地址译码后找到所选的存储单元

      MAR位数反映存储单元的个数（最多支持多少个），反应可寻址范围的最大值（而不一定是实际存储器的存储容量）

      如MAR为10位(即10个二进制位)，则有$2^{10}=1024$个存储单元，记为$1K$

   3. 数据寄存器（MDR）：暂存要从存储器中读或写的信息

      MDR位数=存储字长=每个存储单元的大小

   4. 时序控制逻辑：产生存储器操作所需的各种时序信号

6. 总容量=存储单元个数x存储字长 bit=存储单元个数x存储字长/8 Byte

   1 Byte = 8 bit

   例：MAR为32位，MDR为8位，总容量$=2^{32}\ast 8bit=4GB$

7. 补充

   $1K=1024B=2^{10}B$ $2^{20}:M$ $2^{30}:G$ $2^{40}:T$

8. 存储原理

   1. 某一行前数字为1，表示读取这一行，其余行均为0

      

   2. 将这一串只能有一个位为1的数字，经过译码器，转换成可以自由取0和1的数字（即地址），例如此时有8行，只需三根线即可表示出8种状态。如下图是输出第一行/第二行的情况。

      n位地址 --> $2^n$个存储单元

      
      

      问：这里存储多少二进制位？

      答：总容量=存储单元个数x存储字长=8*1Byte=8B

9. 存储器结构补充

   

   10. MAR与MDR虽是存储器的一部分，但常存在于CPU中

       

CPU及其工作过程

1.

2. 运算器（组合逻辑）

   1. 用于进行算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较、位移等）

   2. 

      

3. 控制器（时序逻辑）

4. 工作过程

   1. 取数指令

      ​ 符号规定：

      

      1. 首先，主存取PC中下一条指令的内容：(PC) —> MAR

      2. 而后，在存储体中找到地址所对应的位置，而后写到MDR中：M(MAR) —> MDR

      3. 再将MDR中内容放到指令寄存器（IR）中：(MDR) —> IR，取指令结束

      4. 将操作码放入控制单元以解析：OP(IR) —> CU，分析指令结束

      5. 按照地址码寻找存储体中数的位置：Ad(IR) —> MAR,M(MAR) —> MDR

      6. 将数据放置到累加器中：(MDR) —> ACC，执行指令结束

   2. 图示

   

   3. 
      

      CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

IO设备

软件系统 & 编程语言

1. 软件：系统软件、应用软件
   
2. 计算机编程语言

计算机的性能指标

1. 机器字长：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数

2. 数据通路带宽：数据总线（这里指连接CPU和其他）一次所能并行传送信息的位数

3. 主存容量：总容量=存储单元个数x存储字长

4. 运算速度

   1. 程序（指令）耗时计算：

      CPU始终频率（主频）=1/CPU时钟周期

      CPI：执行一条指令所需的时钟周期数

      该指令耗时=CPI*CPU时钟周期

      

   2. MIPS：每秒执行多少百万条指令

      MIPS=指令条数/(执行时间*10^6)=主频/CPI

      

   3. MFLOPS，每秒执行多少百万次浮点运算

      MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10^6)

   4. GFLOPS，每秒执行多少十亿次浮点运算

      MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10^9)

   5. TFLOPS，每秒执行多少百万次浮点运算

      MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间*10^12)

5. 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，主要屈居于主存的存取周期

6. 响应时间