导图社区 计算机组成原理第一章计算机系统概述
计算机组成原理第一章计算机系统概述，包括计算机系统层次结构和计算机性能指标的详细内容，建议收藏起来。
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第一章 计算机系统概述
计算机系统层次结构
计算机系统的组成
硬件
有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称
软件
在硬件上运行的程序、相关的数据和文档
计算机系统中硬件和软件的关系
计算机系统的性能大多依赖于软件的性能，软件的性能依赖于硬件 计算机系统性能的好坏取决于软硬件功能的总和
软硬件在逻辑上等效是指？
对某一功能来说，既可以用软件实现，也可以用硬件实现
软件和硬件在逻辑上时等效的，但不是等价的
计算机系统中软硬件的功能如何分配？
频繁、硬件实现成本低：用硬件，效率高
灵活：用软件，效率低
计算机硬件的组成
早期冯·诺依曼机的结构
什么是冯·诺依曼机？
以存储程序这个概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机
基本工作方式是控制流驱动方式
什么是存储程序？
将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束
冯·诺依曼机的6个特点
计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成
指令和数据以同等地位存储在存储器里，并可按地址寻访
指令和数据都用二进制代码表示
指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
指令在存储器里按顺序存放，通常指令按顺序执行 特定条件下，可根据运算结果或设定条件改变执行顺序
早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器，和存储器传送数据
冯·诺依曼计算机结构图
现代计算机的结构
以存储器为中心，使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成
绝大多数仍遵循冯·诺依曼的存储程序的思想
现代计算机结构图
计算机的功能部件
输入设备
将程序和数据转换成机器能识别的形式
输出设备
将计算机处理结果转换成人们熟悉的形式
存储器
存放数据和程序
运算器
算术运算、逻辑运算
控制器
指挥各部件，使程序运行
硬件包括
主机
CPU
主存
I/O设备
辅存
各个硬件的工作原理
主存储器
存储体
概念：存储单元、存储字、存储字长、存储元
区分：1个字，1个字节，1B，1b
MAR
地址寄存器，存放欲访问的存储单元地址。2的MAR位数次方=存储单元个数
MDR
数据寄存器，暂存从存储单元取来的数据。MDR位数=存储字长
在现代CPU中，MAR和MDR在CPU里
结构图
ACC
累加计数器，存放操作数、运算结果
MQ
乘商寄存器，进行乘除法时用得到
X
通用寄存器，存放操作数
ALU
算数逻辑单元，用电路实现各种算数运算、逻辑运算
加减乘除时各寄存器存放内容表格P7
PC
程序计数器，存放下一条指令的地址，上一条指令取指后，可以自动加一
IR
指令寄存器，存放当前执行的指令
CU
控制单元，分析指令，给出控制信号
主存、辅存的区别P5
一些非常见寄存器的位置
地址译码器在主存里
地址寄存器
在主存里，但现代大多在 非运算器控制器里 的CPU里，作用P12
寄存器在CPU里
计算机软件的分类
系统软件
管理整个计算机系统，比如操作系统， 数据库管理系统（注意不是数据库系统），网络软件
应用软件
按任务需要编制的各种程序
三个级别的语言
机器语言、汇编语言、高级语言
编译程序
将高级语言一次全部翻译成汇编语言，或直接翻译为机器语言
解释程序
将高级语言翻译成机器语言，翻译一句执行一句
汇编程序
将汇编语言翻译成机器语言
统称为翻译程序
编译程序、解释程序的区别
解释程序比编译程序慢
关于将高级语言翻译为机器语言
编译程序一次全部，每次执行程序时，只需执行目标程序 因此只要源程序不变，就无须重新编译
解释程序翻译一句执行一句，不会生成目标程序
计算机的工作过程
3个步骤
把程序和数据装入主存
将源程序转换成可执行文件
从可执行文件的首地址开始逐条执行指令
从源程序到可执行文件
完成一条指令的大体过程和完整过程P7P9
计算机系统的多级层次结构
五层
M4：高级语言层，执行高级语言
M3：汇编语言层，执行汇编语言
M2：操作系统层，机器语言+广义指令
M1：传统机器语言层，执行机器语言
M0：微程序机器层，执行微指令
计算机体系结构、计算机组成原理区别
计算机的性能指标
机器字长
计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数
数据通路带宽
外部数据总线一次所能并行传送信息的位数
主存容量
主存储器所能存储信息的最大容量
运算速度
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
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所需结果的等待时间
主频和CPU时钟周期
主频（CPU时钟频率）
CPU内数字脉冲信号振荡的频率。机器内部主时钟的频率。单位：Hz，表示每秒1次
CPU时钟周期
CPU中最小的时间单位，通常是节拍脉冲或T周期，单位：纳秒，微秒
CPU时钟周期=1/主频
CPI
执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间
运行一个程序所花费的时间。CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = （指令条数×CPI）/主频
IPS
每秒执行多少个指令。IPS = 主频 / CPI
MIPS
每秒执行多少百万条指令。MIPS = 主频 /（CPI×10的6次方）
FLOPS
每秒执行多少次浮点运算。FLOPS = 浮点运算次数 / 执行时间
MFLOPS GFLOPS TFLOPS PFLOPS EFLOPS ZFLOPS 分母分别多了10^6 10^9 10^15 10^18
常用数量单位
描述存储容量、文件大小时，K M G T 用2的幂次表示
2^10 2^20 2^30 2^40
1Kb=2^10b
描述速率、频率时，k M G T 用10的幂次表示
10^3 10^6 10^9 10^15
1kb/s=10^3b/s
基准程序
专门用来进行性能评价的一组程序
几个专业术语
系列机、兼容、软件可移植性、固件
