计算机系统概述（详解）

（一）组成部分
1.计算机硬件：CPU + MM + I/O
（1）中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。
1.cpu体系结构详解
1.1. 处理器简要结构
我们都知道CPU的根本任务就是运行指令，对计算机来说终于都是一串由“0”和“1”组成的序列。
CPU从逻辑上能够划分成3个模块，各自是控制单元、运算单元和存储单元。这三部分由CPU内部总线连接起来

• 控制单元：控制单元是整个CPU的指挥控制中心。由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等，对协调整个电脑有序工作极为重要。它依据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包含节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。
• 运算单元：是运算器的核心。能够运行算术运算(包含加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包含移位、逻辑測试或两个值比較)。 相对控制单元而言，运算器接受控制单元的命令而进行动作。即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的，所以它是运行部件。
• 存储单元：包含CPU片内缓存和寄存器组，是CPU中临时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据。CPU访问寄存器所用的时间要比訪问内存的时间短。
  采用寄存器。能够降低CPU訪问内存的次数。从而提高了CPU的工作速度。
  但由于受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能非常大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序猿规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。
  CPU的工作原理概括例如以下：

总的来说，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定。对数据进行运算处理，直到程序运行完毕为止。

（2）MM是计算机硬件中的主存储器，即Main Memory。
（3）I/O输入/输出(Input/Output)，分为IO设备和IO接口两个部分。
2.计算机软件：系统软件+应用软件
（二）冯·诺依曼结构Von neumann structure？（普林斯顿结构）

1.计算机有运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。
2. 各基本部件的功能是：
存储器存放数据和指令，形式上两者没有区别，但计算机应
能区分数据还是指令；
控制器应能自动执行指令；
运算器应能进行加/减/乘/除四种算术运算和一些逻辑运算；
操作人员通过输入、输出设备和主机进行通信。
3. 内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两
部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。
由一串指令组成程序。
4. 采用“存储程序”工作方式。 将事先编好的程序和原始数据送
入主存中，然后启动执行。计算机能自动完成逐条取出指令和
执行指令的任务。
（三）计算机发展时间节点
第一代：真空管（电子管Vacuum Tube ）1946～57年
第二代：晶体管 1958～64年
第三代：SSI/MSI 1965～71年
第四代：LSI/VLSI/ULSI 1972～至今
（四）典型计算机的硬件组成

（五）三种程序
汇编程序(Assembler)：汇编语言源程序→机器目标程序
编译程序(Complier)：高级语言源程序→汇编/机器目标程序
解释程序(Interpreter )：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不生成目标文件。
二、计算机性能评价
（一）评价指标
两大分类
Tasks per day, hour, sec, ns…
– 吞吐率（throughput）
– 带宽（bandwidth ）
Time to do the task
– 响应时间(response time)
– 执行时间、等待时间(execution time， latency)
各项指标
1.CPU执行时间：执行程序中每条指令的时间。
意义：一般不考虑主存磁盘输入输出开销，只考虑CPU的执行时间。
比较计算机的性能时，多用CPU执行时间来衡量。
2.CPU时间：指CPU花在程序执行上的时间。
包括2部分：

1. 用户CPU时间：运行用户代码的时间。
2. 系统CPU时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间。
   3.CPI (Cycles Per Instruction)：即执行一条指令所需的时钟周期（机器主频的倒数）数.
   CPI = 时钟周期数 /指令 (每条指令单周期或多周期)
   意义：CPI 用来衡量以下各方面的综合结果: 指令集、程序、计算机系统的设计
   1.3.1 机器字长
   机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。
   机器字长对硬件的造假也有较大的影响。它将直接影响加法器（或ALU）、数据总线以及存储字长的位数。所以机器字长的确定不能从单从精度和数的表示范围来考虑。
   1.3.2 存储容量
   存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。
   主存容量是指驻村中存放二进制代码的总位数。即
   存储容量 = 存储单元个数存储字长
   1.3.3 运算速度
   计算机的运行速度取决于ÿ