第一章 计算机系统概述

这是一个关于第一章 计算机系统概述的思维导图，总结了计算机系统层次结构、计算机的性能指标等。

第一章 计算机系统概述

• 计算机系统概述
  • 计算机系统层次结构
    • 计算机系统的组成
      • 硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。
      • 对某一功能来说,其既可以用软件实现,又可以用硬件实现,则称为软硬件在逻辑功能上是等价的。
      • 一个功能若使用较为频繁且用硬件实现的成本较为理想,使用硬件解决可以提高效率。
    • 计算机硬件
      • 冯·诺依曼机基本思想
        • “存储程序”
          • 采用“存储程序”的工作方式。
          • 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
          • 指令和数据以同等地位存储在存储器中,形式上没有区别,但计算机应能区分它们。
          • 指令和数据均用二进制代码表示。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。
          • 基本工作方式是控制流驱动方式。
        • “存储程序”的基本思想是:将事先编制好的程序和原始数据送入主存后才能执行,一旦程序被启动执行,就无须操作人员的干预,计算机会自动逐条执行指令,直至程序执行结束。
      • 计算机的功能部件
        • 输入设备
        • 输出设备
        • 存储器
          • 主存储器(又称内存储器)
            • CPU能够直接访问的存储器是主存储器。
          • 辅助存储器(又称外存储器)
            • 辅助存储器中的信息必须调入主存后,才能为CPU所访问。
        • 运算器
          • • 算术逻辑单元(ALU)
            • 一系列寄存器
              • 若干通用寄存器,用于暂存操作数和中间结果。
              • 程序状态寄存器(PSW),也称标志寄存器,用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息。
        • 控制器
          • 程序计数器(PC)
          • 指令寄存器(IR)
          • 控制单元(CU)
    • 计算机软件
      • 系统软件和应用软件
        • 系统软件
        • 应用软件
      • 三个级别的语言
        • 机器语言
          • 计算机唯一可以直接执行的语言。
        • 汇编语言
        • 高级语言
      • 翻译程序
        • 汇编程序(汇编器)
        • 解释程序(解释器)
        • 编译程序(编译器)
    • 软件和硬件的逻辑功能等价性
      • 对某一功能来说,既可以由硬件实现,又可以由软件实现,从用户的角度来看,它们在功能上是等价的。这一等价性被称为软、硬件逻辑功能的等价性。
    • 计算机系统的层次结构
      • • 第 3 层是指令集架构层。该层可通过机器语言编写程序实现对计算机硬件的控制,也称为传统机器层或 ISA(Instruction Set Architecture)层,是计算机中软件系统与硬件系统之间的界面和纽带。
          • 一方面,用户在该层可用二进制表示的机器语言编程控制计算机的硬件系统。
          • 另一方面,该层之上的软件系统的各种程序必须转换成该层的机器语言形式才能被底层的硬件执行。
    • 计算机系统的工作原理
      • “存储程序”工作方式
      • 从源程序到可执行文件
      • 程序执行过程的描述
      • 指令执行过程的描述
        • 取指令： PC→MAR→M→MDR→IR
        • 分析指令： OP(IR)→CU
        • 执行指令： Ad(IR)→MAR→M→MDR→ACC
  • 计算机的性能指标
    • 计算机的主要性能指标
      • 字长
        • 一般将运算器一次运算能处理的二进制位数称为机器字长。
          • 位数一定与机器字长相同的部件
            • ALU
            • 通用寄存器
      • 数据通路带宽
        • 指外部数据总线的宽度。
        • 各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路。
      • 主存容量
        • 字数x字长
      • 运算速度
        • 吞吐量和响应时间
        • 主频和CPU时钟周期
        • CPI (Cycle Per Instruction)
        • CPU执行时间
        • MIPS (Million Instructions Per Second)
        • MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS、 EFLOPS 和 ZFLOPS
      • 基准程序
        • 可以通过在不同机器上运行相同的基准程序来比较在不同机器上的运行时间,从而评测其性能。
    • 几个专业术语
      • 固件。将程序固化在ROM中组成的部件称为固件。固件是一种具有软件特性的硬件,吸收了软硬件各自的优点,其执行速度快于软件,灵活性优于硬件,是软硬件结合的产物。
      • 透明性
        • 在CPU中,IR、MAR和MDR对各类程序员都是透明的。
        • 汇编程序员可以通过JMP指令来设置PC的值。
        • 状态寄存器、通用寄存器只有为汇编程序员可见,才能实现编程。