第一章计算机系统概论

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本文介绍了计算机系统的硬件和软件基础知识，包括计算机的分类和发展历史、硬件组成（如控制器、运算器、存储器等）、软件组成（系统程序和应用程序），以及计算机系统的层次结构等内容。

1.1 计算机的分类

电子计算机总体上分为两类：电子模拟计算机，电子数字计算机。

电子模拟计算机精度和解题能力有限。

电子数字计算机是近似于人类思维过程工作所以有人称它为电脑。

通用计算机分类：超级计算机，大型机，服务器，PC机，单片机，多核机。

1.2 计算机的发展历史

1.2.1计算机的五代变化

第一代为1946~1957年，电子管计算机。运算速度：每秒几千次~几万次。形成计算机基本体系，确定了程序计算的基本方法，数据处理机开始得到应用。

第二代为1956~1964年，晶体管计算机。运算速度：每秒几万次~几十万次。在此期间工业控制机开始得到应用。

第三代为1965~1971年，中小规模集成电路计算机。运算速度：每秒几十万次~几百万次。在此期间，机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现。

第四代为1972~1990年，大规模和超大规模集成电路计算机。运算速度提高到每秒一千万次~一亿次。由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现。

第五代为1991年开始的巨大规模集成电路计算机。运算速度提高到每秒十亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。

国际超算排行榜， 200年曙光4000排行第十，2009年星云号排行第二，2010年天河一号排行第一

1.2.2半导体存储器的发展

1950~1960年代，所有计算机存储器都是由微小的磁芯做成。

1970年，仙童半导体公司铲除了第一个较大容量的半导体存储器，包含了256位的存储器。这种芯片是非破坏性的。

1974年每位半导体存储器价格底于磁芯，此后存储器价格持续下跌，但是存储密度持续增加，个人电脑开始兴起。

1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB,4KB,16KB,64KB,256KB,1MB,4MB,16MB,64MB,256MB和1GB。其中1K=2^10,1M=2^20,1G=2^30。

1.2.3微处理器的发展

1.2.4计算机的性能指标

吞吐量一台计算机某段时间内能处理的信息量。

响应时间指用户发出请求或者指令到系统做出反应（响应）的时间。

利用率在给定时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率。

处理机字长指处理机运算器中一次能够完成的二进制数运算的位数，如32位，64位。

总线宽度指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数，影响吞吐量。

存储器容量存储器中所有单元的总数目，通常用KB,MB,GB,TB,PB表示。

存储器带宽单位时间内从存储器读出的二进制数信息量。

主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主始终不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫做CPU的主频。度量单位是MHz(兆赫兹),GHz(吉赫兹)。

主频的倒数称为CPU的时钟周期（T），度量单位是us,ns.

CPU执行时间表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间。计算公式：

CPU执行时间=CPU时钟周期数XCPU时钟周期

CPI 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。计算公式：

CPI=执行某段程序所需要的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数

MIPS (Million Instructions PerSecond),每秒执行多少百万条定点指令数，用下式计算：

MIPS=指令数/（程序执行时间X10^6）

FLOPS (Floating-point Operations Per Second)，每秒执行浮点操作的次数，衡量机器浮点操作的性能

FLOPS=程序中浮点操作次数/程序执行时间(s)

1.3 计算机的硬件

1.3.1硬件组成要素
控制器(Control)：是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。
运算器(Datapath)：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。
存储器(Memory)：存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。
输入(Inputsystem)：输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合你为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。
输出(Outputsystem)：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。

1.3.2运算器

运算器通常称为ALU(算术逻辑运算部件)。

计算机中采用二进制数运算。

加法规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10（1表示向上进一位）。

乘法规则：0X0=0，0X1=0,1X0=0，1X1=1。

数的位数越多计算精度越高。但是由于电子器件数量限制，运算器的长度一般是8位，16位，32位，64位。

1.3.3 存储器

存储器功能是保存运算的原始数据和解题步骤。所以在运算前需要吧参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。

无论是数据还是运算步骤，在放入存储器以前，都变成了0或者1表示的二进制代码，目前采用半导体器件来表示状态，一个半导体触发器有0或1两个状态假设一个数用16位二进制代码表示，则就要有16个触发器来保存这个数的二进制代码。通常在存储器中把保存一个数的16个触发器称为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的。每个存储单元的编号称为地址。向存储器中存数或者取数，都要寻址。

存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB表示，如64KB,128MB。当然容量越大存储的信息越多啦。

半导体存储器容量有限而且贵，所以还准备了容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，也就是硬盘，U盘，光盘这一类的存储设备，称为外存储器。半导体存储器就称为内存。

1.3.4 控制器

控制器用来从内存中取出数据加以分析，然后执行操作。

由于运算器只能做简单运算，所以复杂计算题要在运算前化成简单的基本操作来执行，每一个基本操作就叫做一条指令，运算某一个问题的一系列指令就叫做问题的计算程序。

由于每条指令要明确告诉控制器要从存储器的哪个单元取数并进行何种操作，所以指令要由两部分组成。即做什么操作和操作数的地址。

操作码

地址码

操作码是指出它做什么操作，比如加减乘除取数存数等。地址码表示从存储器的哪个单元取数。

同样的，操作码和地址码都是用二进制代码表示。

在指令二进制代码化以后，同样能够存储到存储器中，将解决问题的程序存入到存储器中称为存储程序。而控制器则是根据存储的程序控制全机协调完成计算任务，这叫做程序控制。

存储程序并按地址顺序执行，这是冯·诺依曼结构。