计算机系统概述

计算机系统概述思维导图包含：计算机发展历程、计算机系统的组成(冯诺依曼计算机的思想/计算机硬件系统、计算机软件系统)、计算机系统的层次结构、计算机性能指标和评价等等。

计算机系统概述

• 计算机发展历程
  • 国外的计算机发展
    • 电子管计算机（1946——1958年）
    • 晶体管计算机（1958——1964年）
    • 集成电路计算机（1964——1971年）
    • 超大规模集成电路计算机（1971年至今）
  • 摩尔定律
  • 意义和影响
    • 单个芯片集成度提高后，其成本变化不大，因此总体成本明显下降
    • 高集成度的芯片中，电路间的距离更近，其连线更短，工作速度可以更高
    • 增加了芯片内部的连线，从而减少了外部连线，可靠性得以提高
    • 计算机体积越来越小，减少了电能的消耗，适应性更好
  • 集成电路工艺发展概述
    • 集成电路生产主要分为 IC 设计、IC 制造和 IC 封测三大环节
  • 我国计算机发展概述
• 计算机系统的组成
  • 冯诺依曼计算机的思想
    • 计算机的硬件系统包含运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
    • 存储程序和程序控制
      • 存储程序就是将解题的步骤编制成程序，然后将程序和运行程序 所需要的数据以二进制的形式存放到存储器中，方便执行。
      • 程序控制则是指计算机中的控制器逐条取出存储器中的指令并按顺序执行，控制各功能部件进行相应的操作，完成数据的加工处理。
  • 计算机硬件系统
    • 存储器的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象
    • 运算器是一种用于信息加工处理的部件，它对数据进行算术运算和逻辑运算
    • 控制器是整个计算机的指挥中心，它可使计算机各部件协调的工作
    • 输入设备就是将信息输入计算机的外部设备，它将人们熟悉的信息形式转换成计算机能接收并识别的信息形式
    • 输出设备就是将计算机运算结果转换成人们和其他设备能接收和识别的信息形式的设备
  • 计算机软件系统
    • 应用软件
      • 应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的一些程序
    • 系统软件
      • 目的是方便用户、提高计算机使用效率、扩充系统的功能
      • 操作系统
        • 操作系统是管理计算机中各种资源、自动调度用户作业、处理各种中断的软件
        • 操作系统包括 UNIX、Windows、Linux、Android、iOS
      • 程序设计语言及语言处理程序
        • 机器语言
          • 机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合
        • 汇编语言
          • 为了克服机器语言难读、难编、难记和易出错的缺点，人们发明了便于记忆和描述指令功能的汇编语言
        • 高级语言
          • 高级语言是与人类自然语言相接近且能为计算机所接受的，语意确定、规则明确、自然直观和通用易学的计算机语言
    • 数据库管理系统
      • 数据库管理系统（Data Base Management System，DBMS）又称数据库管理软件
• 计算机系统的层次结构
  • 系统层次结构
    • • 第 6 层是高级语言层，是面向用户的抽象层次
      • 第 5 层是汇编语言层。该层为用户提供基于助记符表示的汇编语言编程
      • 第 4 层是操作系统层。该层用于对计算机系统的硬件和软件资源进行统一管理和调度，提高计算机系统的使用效率，方便用户使用计算机
      • 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
      • 2 层为微代码层。该层是实际的机器层，该层的用户使用微指令编写微程序，用户所编写的微程序由硬件直接执行，注意只有采用微程序设计的计算机系统才有这一层
      • 第1层为逻辑门层。该层是计算机系统最底层的硬件系统，由逻辑门、触发器等逻辑电路组成，它是由逻辑设计者采用布尔代数设计的硬件内核
  • 各层之间的关系
    • 高层是低层功能的扩展，低层是高层的基础
  • 软件和硬件的逻辑功能等价性是计算机系统设计的重要依据，软件和硬件的功能分配及其界面的确定是计算机系统结构研究的重要内容
• 计算机性能指标和评价
  • 基本的性能指标
    • 字长
      • 指CPU 一次处理的数据位数，用二进制数的长度来衡量
      • 字长一般以字节（Byte）为基本单位
      • 字长对计算机性能有如下几方面的影响
        • 影响计算精确度。字长越长，计算精确度就越高，反之计算精确度就越低
        • 影响数据的表示范围和精度。字长越长，定点数的表示范围就越大，浮点数的表示范围越大、精度也越高
    • 主存容量
      • 主存容量是指主存能存储的最大信息量，一般用 M×N 表示，其中 M 表示存储单元数，也称字容量；N 表示每个存储单元存储的二进制位数，也称位容量
      • 增加主存容量能减少程序运行期间访问辅存的次数，有利于提高程序的执行速度，也有利于计算机性能的提高
  • 与时间有关的性能指标
    • 时间是衡量计算机系统性能最基本的标准，执行同一程序所需要的时间越少，表明该计算机的性能越高
    • 时间周期
      • 时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU 仅完成一个最基本的动作
    • CPI
      • 指执行每条指令所需要的平均时钟周期数
    • CPU 时间
      • 时钟频率。时钟频率取决于 CPU 的实现技术和工艺，时钟频率越高，程序执行速度就越快
      • CPI。CPI 取决于计算机的实现技术和指令集结构，CPI 越小，程序执行速度越快
      • 指令条数。当 CPI 和时钟周期固定时，程序指令条数越少，执行速度就越快。完成相同功能的程序所包含的指令条数主要与指令系统的设计和编译技术有关
    • IPC
      • 指每个时钟周期 CPU 能执行的指令条数，是 CPI 的倒数
    • MIPS
    • MFLOPS