①计算机系统概述

24自用408数据结构，计算机系统的组成由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大设备组成，以运算器为中心(现代计算机以存储器为中心)。

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
      • 冯•诺依曼机
        • 存储程序的基本思想：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，直至程序结束
        • 特点
          • 1| 采用存储程序方式
          • 2| 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大设备组成
          • 3| 指令和数据同等地位存储在存储中，形式上没有差别，计算机可以区分
          • 4| 指令和数据均以二进制代码表示。指令由操作码和地址码组成，操作码指出类型，地址码指出数据地址。
          • 5| 以运算器为中心(现代计算机以存储器为中心)
          • 6| 基本工作方式：控制流驱动方式
      • 功能部件
        • 输入设备
        • 输出设备
        • 存储器
          • 主存(内存)
            • 地址寄存器(MAR)
              • 存储访存地址
              • 位数对应存储单元的个数
            • 存储体
              • 由存储单元组成，其存储一串二进制代码，称为存储字，位数为存储字长，可以是字节的偶数倍
            • 数据寄存器(MDR)
              • 位数＝存储字长＝每个存储单元的大小
            • 时序控制逻辑
              • 产生存储器操作所需的各种时序信号
          • 外存
        • 运算器
          • 算术运算
          • 逻辑运算
          • 核心
            • 算术逻辑单元(ALU)
          • 通用寄存器
            • 累加器(ACC)、乘商寄存器(MQ)、操作数寄存器(X)、变址寄存器(IX)、基址寄存器(BR)
          • 状态寄存器(PSW)
            • 存放状态信息
              • 结果是否溢出
              • 有无产生进位或借位
              • 结果是否为负
        • 控制器
          • 指挥中心
          • 程序计数器(PC)
            • 存放预执行的指令地址，可以自动+1，与MAR有通路
          • 指令寄存器(IR)
            • 存放当前指令，内容来自MDR
          • 控制单元(CU)
            • 解析操作码，产生微操作命令序列
    • 软件
      • 类别
        • 系统软件
          • 一组保证计算机高效、正确运行的基础软件，作为系统资源提供至用户。
          • 如：操作系统OS、数据库管理系统(DBMS)、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库系统、服务型程序
        • 应用软件
          • 用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序
          • 如：科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序
      • 语言
        • 机器语言
          • 二进制代码语言
          • 计算机唯一可以直接识别和执行的语言
        • 汇编语言
          • 用英文单词或其缩写代替二进制指令代码
          • 需要翻译后才能执行
        • 高级语言
          • 程序设计人员使用的
        • 翻译程序
          • 汇编程序(汇编器)
            • 将汇编语言翻译成机器语言
          • 解释程序(解释器)
            • 将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行
            • 每次执行都要翻译一次
          • 编译程序(编译器)
            • 将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言程序
            • 只需翻译一次
      • 软件和硬件逻辑功能的等价性是计算机系统设计的重要依据
  • 计算机系统的层次结构
    • 层次结构
      • 1| 高级语言层
        • 面向用户，高级语言编译程序执行，翻译成汇编语言程序
      • 2| 汇编语言层
        • 汇编程序翻译成机器语言程序
      • 3| 操作系统层
        • 用机器语言解释操作系统
      • 软件
      • 4| 传统机器语言层
        • 用微程序解释机器指令
      • 5| 微程序机器层
        • 机器硬件直接执行微指令
      • 硬件
    • 下层是上层的基础，上层是下层的扩展
    • 没有配备软件的纯硬件称为裸机
  • 计算机系统的工作原理
    • 存储程序工作方式
      • 顺序执行
      • 跳转执行
    • 从源程序到可执行文件
      • 预处理阶段
        • 预处理器(cpp)对源程序中以字符#开头的命令进行处理
      • 编译阶段
        • 编译器(ccl)对预处理后的程序进行编译，生成一个汇编语言源程序
      • 汇编阶段
        • 汇编器(as)将汇编语言程序翻译成机器指令，把指令打包
      • 链接阶段
        • 链接器将多个可重定位目标文件和标准库函数合并为一个可执行文件
      • 
    • 程序执行必须依靠操作系统
• 计算机的性能指标
  • 主要性能指标
    • 字长
      • 计算机进行一次整数运算(即定点整数运算)所能处理的二进制位数。通常选定为8位的整数倍。
    • 数据通路带宽
      • 数据总线一次所能并行传送的信息位数
        • 这里所指外部数据总线宽度，而CPU内部有可能不同
    • 主存容量
      • 主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节衡量
    • 运算速度
      • 吞吐量
        • 单位时间系统处理请求的数量
      • 响应时间
        • 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
      • CPU时钟周期
        • 通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数
        • CPU最小的时间单位
      • 主频(CPU)时钟频率
        • 机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数
        • 通常以HZ为单位，1HZ为每秒1次
      • CPI
        • 执行一条指令所需的时钟周期
        • CPI一般指CPI平均值
      • 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
      • MIPS
        • 每秒执行多少百万条指令
        • MIPS＝指令条数/(执行时间×10'6)＝主频/(CPI×10'6)
        • MFLOPS
          • 浮点 6
        • CFLOPS
          • 浮点 9
        • IFLOPS
          • 浮点 12
        • PFLOPS
          • 浮点 15
        • EFLOPS
          • 浮点 18
        • ZFLOPS
          • 浮点 21
      • 基准程序
        • 专门用来进行性能评价的一组程序，能够很好地反映机器在运行实际负载时的性能，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，从而评测性能。
    • 在描述存储容量、文件大小时，K、M、G、T通常用2的幂次表示，如1Kb＝2'10b 在描述速度、频率等时，K、M、G、T通常用10的幂次表示，如1kb/s＝10'3b/s 通常前者用大写的K，后者用小写的
  • 专业术语
    • 系列机
    • 兼容
    • 软件可可移植性
    • 固件
      • 将程序固化在ROM中组成的部件称为固件
        • 软/硬件结合的产物