计算机组成原理第一章小结

计算机系统概述

1. 计算机发展历程

1. 第一代–电子管时代：逻辑元件采用电子管，机器语言编程，主存容量极小；体积庞大，成本高，运算速度低
2. 第二代–晶体管时代：逻辑元件使用晶体管，采用高级语言
3. 第三代–中小规模集成电路时代：开始出现分时操作系统
4. 第四代–超大规模集成电路时代：产生了微处理器；诸如并行，流水线，高速缓存出现

2. 计算机分类

1. 单指令单数据流（SISD）：传统冯诺依曼体系结构
2. 单指令多数据流（SIMD）：陈列处理器和向量处理器系统
3. 多指令单数据流（MISD）：不存在
4. 多指令多数据流（MIMD）：多处理器多计算机系统

3. 计算机系统组成

1. 硬件和软件系统构成了一个完整的计算机系统；使用硬件可以提高效率，软件可以实现高灵活性

2. 早期的冯诺依曼体系：

    1)  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)  指令和数据用二进制表示，并存储在存储器中，可按地址寻访
    3)  指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的性质，地址码表示操作数在存储器的位置
    4)  指令顺序存放并且顺序执行；特定条件下可改变执行顺序
   

3. 存储器

    1)  分为主存（内存）和辅存（又称外存）
    2)  CPU自己访问的是主存，辅存用来帮助主存记忆更多信息；辅存中的数据调入主存后才能被CPU访问
    3)  存储单元存的二进制代码成为存储字，代码位数是存储字长，存储字长可以是1B(8bit）或是字节的偶数倍
    4)  存储体存放二进制信息，地址寄存器（MAR）存放访存地址，地址译码后找到存储单元
    5)  数据寄存器（MDR）暂存要从存储器读或写的信息，时序控制逻辑产生各种时序信号
   

4. 运算器

    1)  核心是ALU
    2)  包含若干通用寄存器，如累加器（ACC），乘商寄存器（MQ），操作数寄存器（X），变址寄存器（IX），基址寄存器（BR），程序状态寄存器（PSW）
   

5. 控制器

    1) 包含程序计数器（PC），指令寄存器（IR），控制单元（CU）
    2) PC 存放当前欲执行指令的地址，可以自动+1形成下一条指令地址，与主存MAR有一条直接通路
    3) IR 存放当前指令，内容来自主存MAR；操作码送至CU用以分析指令，地址码送至MAR取操作数
   

4.计算机软件

软件

1. 系统软件：保证计算机系统高效，正确运行的基础软件，如操作系统（OS），数据库管理系统（DBMS），语言处理程序，分布式软件系统，网络软件系统，标准库程序等
2. 应用软件：为用户解决某个应用领域内的各类问题而编制，如各种科学计算类程序，数据统计与处理程序等

语言

1. 机器语言：计算机唯一可以识别和执行的语言
2. 汇编语言：汇编语言须经过汇编程序的翻译为机器语言才能执行
3. 高级语言：编译为汇编语言，再汇编为机器语言

工作过程

1. 程序和数据装入主存 --> 源程序转为可执行文件 --> 从可执行文件的首地址开始逐条执行指令

2. 从源程序到可执行文件

   1) 预处理阶段：预处理器（CPP）对源程序中以字符# 开头的命令进行处理，输出是以 .i 为扩展名的源文件hello.i
   2) 编译阶段：编译器（CCL）对hello.i 编译，生成汇编语言程序 hello.s;每条语句都以一种文本格式描述一条低级机器语言指令
   3) 汇编阶段：汇编器（As）将 hello.s 翻译为机器语言指令，打包成一个可重定位目标文件hello.o 
   4) 链接阶段：链接器（LD）将多个可重定位文件和标准库函数链接为一个可执行目标文件。
   

5.性能指标

1. 机器字长：进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数；与CPU寄存器位数，加法器有关；字长越长，表示范围越大，精度越高，通常选为字节（8位）的整数倍
2. 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数
3. 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量。取决于主存存取周期
4. 响应时间：从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得结果的等待时间
5. CPU时钟周期：主频的倒数
6. 主频：主频越高，完成指令所需时间就越短
7. CPI：执行一条指令所需时间周期数
8. CPU执行时间：运行一个程序所需时间=CPU时钟周期数/ 主频 =（指令条数*CPI）/ 主频