2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
---
|
|
|
|
|
|
title: "《计组》计算机系统概述"
|
|
|
|
|
|
date: 2023-07-07T11:24:47+08:00
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
---
|
|
|
|
|
|
## 常考知识点
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 存取速度：寄存器【CPU内部】> Cache > 内存
|
|
|
|
|
|
* 机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言
|
|
|
|
|
|
* 存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
|
|
|
|
|
|
* 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
|
|
|
|
|
|
* 存储字：存储单元中二进制代码的组合
|
|
|
|
|
|
* 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
|
|
|
|
|
|
* 机器字长：计算机能一次处理的二进制代码的长度
|
|
|
|
|
|
* 可通过寄存器的位数判断机器字长
|
|
|
|
|
|
* 一定与机器字长相同的部件：ALU，通用寄存器
|
|
|
|
|
|
* 指令字长：指令的二进制长度
|
|
|
|
|
|
* 数据字长：数据总线一次能并行传送信息的次数
|
|
|
|
|
|
* 一字节 = 8位，即$1B = 8bit$
|
|
|
|
|
|
* IR,MAR,MDR对程序员不可见
|
|
|
|
|
|
* 计算机运算速度指标指的是每秒能执行多少条指令，即MIPS
|
|
|
|
|
|
* 描述浮点数操作速度的指标：MIPS
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机硬件的发展
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|发展阶段|逻辑元件|主存储器|运算速度|软件|应用|
|
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|第一代|电子管|电子射线管|几千次到几万次|机器语言、汇编语言|军事研究、科学计算|
|
|
|
|
|
|
|第二代|晶体管|磁芯|几十万次|监控程序、高级语言|数据处理、事务处理|
|
|
|
|
|
|
|第三代|中小规模集成电路|半导体|几十万次到上百万次|操作系统、编辑系统、应用程序|广泛应用|
|
|
|
|
|
|
|第四代|大规模超大规模集成电路|集成度更高的半导体|上千万次到上亿次|操作系统、数据库、高级语言、应用程序|渗入社会各个领域|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机发展趋势
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 巨型化
|
|
|
|
|
|
* 网络化
|
|
|
|
|
|
* 微型化
|
|
|
|
|
|
* 微型计算机的发展以微处理器技术为标志
|
|
|
|
|
|
* 智能化
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机软件的发展
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 应用软件
|
|
|
|
|
|
* 办公软件
|
|
|
|
|
|
* 多媒体软件
|
|
|
|
|
|
* 辅助设计软件
|
|
|
|
|
|
* 企业应用软件
|
|
|
|
|
|
* 网络应用软件
|
|
|
|
|
|
* 安全防范软件
|
|
|
|
|
|
* 娱乐休闲软件
|
|
|
|
|
|
* 系统软件
|
|
|
|
|
|
* 操作系统
|
|
|
|
|
|
* 网络服务程序
|
|
|
|
|
|
* 语言处理程序
|
|
|
|
|
|
* 数据库管理系统【数据库系统不是系统软件】
|
|
|
|
|
|
* 程序设计语言
|
|
|
|
|
|
* 其他实用程序和工具
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机应用层次结构
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 层次结构图
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 三种程序转换
|
|
|
|
|
|
* 高级语言$\underrightarrow{编译}$汇编语言$\underrightarrow{汇编}$机器语言
|
|
|
|
|
|
* 高级语言$\underrightarrow{解释}$机器语言
|
|
|
|
|
|
* 源程序$\underrightarrow{C编译器}$汇编源程序$\underrightarrow{汇编程序}$目标程序$\underrightarrow{链接程序}$可执行程序
|
|
|
|
|
|
* 三个级别的语言
|
|
|
|
|
|
* 机器语言
|
|
|
|
|
|
* 计算机唯一可以直接识别和执行的语言
|
|
|
|
|
|
* 汇编语言
|
|
|
|
|
|
* 由汇编程序（系统软件）翻译成机器语言后再执行
|
|
|
|
|
|
* 高级语言
|
|
|
|
|
|
* C,C++,java等
|
|
|
|
|
|
* 一种是经过编译程序得到汇编语言，然后得到机器语言，然后再执行【高级语言$\rightarrow$汇编语言$\rightarrow$机器语言】
|
|
|
|
|
|
* 一种是由高级语言程序直接翻译成机器语言（边翻译边执行，不生成可执行文件）【高级语言$\rightarrow$机器语言】
|
|
|
|
|
|
* 翻译程序
|
|
|
|
|
|
* 汇编程序（汇编器）
|
|
|
|
|
|
* 汇编语言$\rightarrow$机器语言
|
|
|
|
|
|
* 解释程序（解释器）
|
|
|
|
|
|
* 边翻译边执行
|
|
|
|
|
|
* 编译程序（编译器）
|
|
|
|
|
|
* 高级语言$\rightarrow$汇编语言$\rightarrow$机器语言
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机硬件的组成
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 冯诺依曼结构
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 组成示例图
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 特点
|
|
|
|
|
|
* 计算机由五大部件组成
|
|
|
|
|
|
* 输入设备
|
|
|
|
|
|
* 输出设备
|
|
|
|
|
|
* 存储器
|
|
|
|
|
|
* 运算器
|
|
|
|
|
|
* 控制器
|
|
|
|
|
|
* 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并按地址寻址
|
|
|
|
|
|
* 指令和数据均以二进制代码表示
|
|
|
|
|
|
* CPU区分指令和数据的凭依是指令周期的不同阶段
|
|
|
|
|
|
* 数据由指令的地址码给出
|
|
|
|
|
|
* 指令 = 操作码 + 地址码，操作码表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
|
|
|
|
|
|
* 指令在存储器内按顺序存放，通常，指令是顺序执行的，特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
|
|
|
|
|
|
* 早期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
|
|
|
|
|
|
* 单处理机
|
|
|
|
|
|
* 基本工作方式为控制流驱动方式
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 现代计算机结构
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 示例图
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 特点
|
|
|
|
|
|
* 计算机 = 主机 + 输入/输出设备
|
|
|
|
|
|
* 主机 = CPU +主存
|
|
|
|
|
|
* CPU = 运算器 + 控制器
|
|
|
|
|
|
* 控制器：指挥各部件使得程序执行
|
|
|
|
|
|
* 运算器：算术运算和逻辑运算
|
|
|
|
|
|
* 存储器：存放数据和指令【存储器为核心】
|
|
|
|
|
|
* 输入设备：将信息转换为机器能够识别的形式
|
|
|
|
|
|
* 输出设备：将结果转换为人们熟悉的形式
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机的功能组件
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 存储器
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
|
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 组件
|
|
|
|
|
|
* 存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存储1bit
|
|
|
|
|
|
* 存储单元：每个存储单元放一串二进制代码
|
|
|
|
|
|
* 存储字：存储单元中二进制代码的组合
|
|
|
|
|
|
* 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
|
|
|
|
|
|
* 机器字长：计算机能一次处理的二进制代码长度
|
|
|
|
|
|
* 指令字长：指令的二进制长度
|
|
|
|
|
|
* 数据字长：数据总线一次能并行传送信息的次数
|
|
|
|
|
|
* MAR（地址寄存器）：用于寻址，位数=存储单元个数/地址码的长度
|
|
|
|
|
|
* 现代计算机CPU中也内置了MAR
|
|
|
|
|
|
* MDR（数据寄存器）：用于暂存数据，位数 = 存储字长
|
|
|
|
|
|
* 时序控制逻辑：用于产生存储器操作所需的各种时序信号
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 运算器
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 组件
|
|
|
|
|
|
* ACC：累加器，用于存放操作数或运算结果
|
|
|
|
|
|
* MQ：乘商寄存器，在乘除计算中用于存放操作数或运算结果
|
|
|
|
|
|
* X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数
|
|
|
|
|
|
* ALU：算术逻辑单元，运算器核心
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 控制器
|
|
|
|
|
|
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 组件
|
|
|
|
|
|
* PC:程序计数器，存放下一条指令的地址，并跟踪下一条要执行的指令的地址
|
|
|
|
|
|
* IR：指令寄存器：存放当前正在执行的指令
|
|
|
|
|
|
* CU：控制单元，分析指令，给出控制信号
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机系统的细节
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 系统细节图
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 系统的组成
|
|
|
|
|
|
* CPU：中央处理器
|
|
|
|
|
|
* PC：程序计数器
|
|
|
|
|
|
* MAR：存储地址寄存器
|
|
|
|
|
|
* ALU：算术逻辑部件
|
|
|
|
|
|
* IR：指令寄存器
|
|
|
|
|
|
* MDR：存储器数据寄存器
|
|
|
|
|
|
* GPRs：通用寄存器组
|
|
|
|
|
|
* 由若干通用寄存器组成，早期为累加器
|
|
|
|
|
|
* 程序执行的过程
|
|
|
|
|
|
* 程序执行前
|
|
|
|
|
|
* 数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段组成，程序起始地址置PC
|
|
|
|
|
|
* 开始执行程序
|
|
|
|
|
|
* 根据PC取指令
|
|
|
|
|
|
* 指令译码
|
|
|
|
|
|
* 取操作数
|
|
|
|
|
|
* 指令执行
|
|
|
|
|
|
* 回写结果
|
|
|
|
|
|
* 修改PC的值
|
|
|
|
|
|
* 继续执行下一条指令
|
|
|
|
|
|
* 指令执行过程
|
|
|
|
|
|
* 分为取指令，分析指令，执行指令三个阶段
|
|
|
|
|
|
* 开始时，将第一条指令地址放到PC中
|
|
|
|
|
|
* 将PC的指令暂存到MAR中，发出读命令，读MAR里面的内容，然后存到MDR中，再把MDR的指令放到IR中
|
|
|
|
|
|
* 翻译IR的操作性质
|
|
|
|
|
|
* 取操作数
|
|
|
|
|
|
* 将操作数送往运算器，进行运算
|
|
|
|
|
|
* 送结果到寄存器中或送到内存
|
|
|
|
|
|
* PC加一
|
|
|
|
|
|
* 常见操作码
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
* 程序执行过程举例
|
|
|
|
|
|
* 举例计算$y = ax^2 + bx+c$
|
|
|
|
|
|
* 取x至运算器中
|
|
|
|
|
|
* 乘以a，得ax，存于运算器中
|
|
|
|
|
|
* 加b，得ax+b，存于运算器中
|
|
|
|
|
|
* 乘以x，得(ax+b)x，存于运算器中
|
|
|
|
|
|
* 将运算器中数据送至存储器y中
|
|
|
|
|
|
* 打印y
|
|
|
|
|
|
* 停机
|
2023-08-09 20:47:58 +08:00
|
|
|
|
* 
|
2023-07-07 16:17:31 +08:00
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 计算机性能指标
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 字长
|
|
|
|
|
|
* 机器字长：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制的位数，一般与字长长度有关
|
|
|
|
|
|
* 数据通路带宽
|
|
|
|
|
|
* 外部数据总线一次能并行传送信息的位数，非CPU内部数据总线宽度
|
|
|
|
|
|
* 主存容量
|
|
|
|
|
|
* 主存储器所能存储信息的最大容量
|
|
|
|
|
|
* 通常以字节来衡量【1B = 8bit】
|
|
|
|
|
|
* 也可使用字数$\times$字长表示
|
|
|
|
|
|
* MAR为16位，$2^{16} = 65536$，即存储体内有65536个存储单元（可称为64K，1K = 1024）
|
|
|
|
|
|
* MDR为32位，表示存储容量为64K $\times$ 32位
|
|
|
|
|
|
* 吞吐量和响应时间
|
|
|
|
|
|
* 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量【用户角度下评价计算机系统性能的综合参数】
|
|
|
|
|
|
* 响应时间：指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所需结果的等待时间
|
|
|
|
|
|
* 主频和CPU时钟周期
|
|
|
|
|
|
* 主频：机器内部主时钟的频率，代表每秒执行多少个时钟周期数
|
|
|
|
|
|
* 值越大代表一个操作所需时间越少，CPU运行速度越快
|
|
|
|
|
|
* CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数
|
|
|
|
|
|
* 是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期
|
|
|
|
|
|
* 时钟周期$= \frac{1}{主频}$，如主频为2.4GHz,则时钟周期$ = \frac{1}{2.4G}$秒
|
|
|
|
|
|
* CPI
|
|
|
|
|
|
* 执行一条指令所需要的时钟周期数
|
|
|
|
|
|
* CPI与系统结构，指令集，计算机组织有关，与时钟频率无关
|
|
|
|
|
|
* $CPI = \frac{时钟周期数量}{指令数量}$
|
|
|
|
|
|
* CPU执行时间
|
|
|
|
|
|
* 运行一个程序所花费的时间
|
|
|
|
|
|
* $执行时间 = 时钟周期数量 \times 时钟周期 = \frac{时钟周期数量}{主频} = \frac{指令条数 \times CPI}{主频}$
|
|
|
|
|
|
* MIPS
|
|
|
|
|
|
* MIPS：每秒执行多少百万条指令【Million instruction per second】
|
|
|
|
|
|
* $ MIPS = \frac{指令条数}{执行时间 \times 10^6 = \frac{主频}{CPI \times 10^6}}$
|
|
|
|
|
|
* MFLOPS:每秒执行多少百万次浮点运算
|
|
|
|
|
|
* $MFLOPS = \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^6}$
|
|
|
|
|
|
* GFLOPS:每秒执行多少十亿次浮点运算
|
|
|
|
|
|
* $GFLOPS = \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^9}$
|
|
|
|
|
|
* TFLOPS:每秒执行多少万亿次浮点运算
|
|
|
|
|
|
* $TFLOPS = \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^{12}}$
|
|
|
|
|
|
* 其他换算
|
|
|
|
|
|
* $1Kb = 2^{10}b = 1024b,1B【字节】 = 8bit【位】$
|
|
|
|
|
|
* 描述速率，频率时：$1T = 10^3G = 10^6M = 10^9K$
|
|
|
|
|
|
|
