--- 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/计算机应用层次结构.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/冯诺依曼机的示例图.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/现代计算机结构的示例图.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/存储器.jpg) * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/存储体.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/运算器.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/控制器.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/系统细节图.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/常见的操作码.jpg) * 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 * ![](../../images/408/《计组》计算机系统概述/程序执行过程举例.jpg) ## 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：$1T = 10^3G = 10^6M = 10^9K$