(1.1) 电子计算机与存储存续控制

(1.1.1) 电子计算机的发展

1. 计算机的发展历史

略...

(1.1.2) 存储程序概念

• 计算机应由运算器，控制器，存储器，输入和输出设备5部分组成。
• 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
• 将编写好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。

冯诺依曼计算机的弱点：存储器访问会成为瓶颈。

(1.2) 计算机的硬件组成

• 主机：由中央处理器和主存储器（内存储器）组成。
• 外设：出去主机外的硬件装置（输入、输出设备，辅助存储器）。

(1.2.1) 计算机的主要部件

1. 输入设备

• 职责：把人们编写好的程序和数据送到计算机中，并将他们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。
• 健忘设备：扫描仪、摄像头、手写输入板。
• 注：辅助存储器（磁盘、磁带）也可视为输入设备。

2. 输出设备

• 职责：将计算机的处理结果以数字、字符、图形等形式送出计算机。
• 常见设备：打印机、显示器、绘图仪。
• 注：辅助存储器也可视为输出设备。

3. 存储器

• 职责：存放程序和数据的记忆装置。
• 分级组成：
  • 主存储器：cpu可直接访问，存储速度快，容量小。用来存放正在执行的程序和数据。
  • 辅助存储器：存储容量大，价格低，设置在主机外部，辅存的数据需要送到主存才能被访问。
  • 高速缓存存储器：存取速度比主存块，容量更少。

4. 运算器

• 职责：对信息进行处理和算数、逻辑运算的部件。
• 组成：
  • 核心组成是加法器。
  • 若干通用寄存器和累加寄存器，用来暂存操作数和存放运算结果。
• 注：寄存器的存取速度比存储器的存取速度快。

5. 控制器

• 职责：控制计算机的各部件按照人们预先确定的操作步骤从主存中取出并安排指令的操作顺序，让他们执行规定的任务。
• 组成：包括一些专用的寄存器。

(1.2.2) 计算机各大部件之间的连接

1. 总线结构

• 一组能为多个部件服务的公共信息传送线路
• 特点：同一时刻只允许同一对设备之间传送信息。
• 按传送信息分类：
  • 地址总线：单方向的多根信号线组成，用于cpu向主存、外设传输地址信息。
  • 数据总线：有双方向的多跟信号线组成，cpu沿该线可往主存/外设读入/送出数据。
  • 控制总线：传送控制信息，包括cpu送出的控制命令和主存返回cpu的反馈信息。

2. 大中型计算机的典型结构

• 分级：主机，通道，设备控制器和外部设备。

(1.2.3) 不同对象观察到的计算机硬件系统

略...

(1.2.4) 冯·诺依曼和哈佛结构的存储器设计思想

1. 冯·诺依曼结构

• 指令、数据混合存储在同一个存储器中，共享数据总线
• cpu不能同时去指令和取操作数。

2. 哈佛结构

• 指令、数据分开存储。
• 存储器分两个：
  • 程序存储器：存放指令。
  • 数据存储器：存放数据。
• 分离的数据总线和程序总线可以使计算机同时获取指令和操作数。

(1.3) 计算机系统

(1.3.1) 软硬件的关系

固件：存储在能永久保存信息的器件中的程序。是具有软件共功能的硬件，执行速度快于软件，而且灵活性优于硬件。

(1.3.2) 系列机和软件兼容

(1.3.3) 计算机系统的多层次结构

• 应用语言级：面向问题的应用语言。
• 高级语言级：通过编译程序来完成高级语言的翻译工作。
• 汇编语言级：完成汇编语言翻译的程序。
• 操作系统级：管理传统机器中的软硬件资源。
• 传统机器级：机器语言是该机的指令集。
• 微程序级：该级程序直接由硬件执行。
• 第零级：由计算机的内核、由门、触发器等逻辑链路组成。

(1.3.4) 实际机器和虚拟机器

• 实际机器：硬件/固件组成
• 以软件或以软件为主实现的机器。

(1.4) 计算机的工作过程和主要性能指标

(1.4.1) 计算机的工作过程

(1.4.2) 主要性能指标

1. 机器字长

• 能直接处理的二进制信息的位数。
• 字长标志着精度，字长越长，精度越高。

2. 数据通路宽度

• 数据总线一次能并行传输信息的位数。一般指（外部）数据通路宽度。

3. 主存容量

• 主存储器能存储的全部信息量。单位：KB、MB、GB、TB等。

4. 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：CPU时间 + 等待时间
  • cpu时间：运行一个程序花费的时间。
  • 等待时间：磁盘访问、存储器访问、I/O操作、吃、操作系统开销等。

主频和cpu时钟周期

• 主频：cpu内数字脉冲信号振荡的速度。主频的倒数是cpu时钟周期。
• CPI：Cycles per instruction，每条指令执行所用的时钟周期数。

cpu执行时间

               cpu时钟周期数    指令数 * CPI
cpu执行时间 =  ————————————  = ——————————————
                时钟频率        时钟频率

MIPS和MFLOPS

• MIPS：每秒执行几百万条指令

           指令条数         主频
MIPS = ———————————————— = ————— = 主频 * IPC 
        执行时间 * 10^6     CPI

• MFLOPS：每秒执行几百万条浮点运算

        浮点操作次数
MIPS = ———————————————
        执行时间 * 10^6

作为计量单位来衡量运算速度

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习题答案

1-1 电子数字计算机和电子模拟计算机的区别？

• 电子数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量,运算的过程是不连续的
• 电子模拟计算机中处理的信息是连续变化的物理量,运算的过程是连续的。

1-2 冯·诺依曼计算机的特点是什么?其中最主要的一点是什么?

• ① 计算机(指硬件)应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
• ② 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
• ③ 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

1-3 计算机的硬件是由哪些部件组成的?它们各有哪些功能？

解：计算机的硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。它们各自的功能是:

• ① 输入设备：把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去,并且将它们转换成计算机内部所能识别和接 受的信息方式
• ② 输出设备：将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机
• ③ 存储器：用来存放程序和数据
• ④ 运算器：对信息进行处理和运算
• ⑤ 控制器：按照人们预先确定的操作步骤,控制整个计算机的各部件有条不素地自动工作。

1-4 什么叫总线?简述单总线结构的特点。

• 总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。单总线结构即各大部件都连接在单一的一组总线上，这个总线被称为系统总线。

• CPU与主存、CPU与外设之间可以直接进行信息交换,主存与外设、外设与外设之间也可以直接进行信息交换，而无须经过CPU的干预。

1-5 简单描述计算机的层次结构,说明各层次的主要特点

解：现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体,可以把它看成是按功能划分的多级层次结构。

• 第0级为硬件组成的实体
• 第1级是微程序级。这级的机器语言是微指令集,程序员用微指令编写的微程序一般是直接由硬件执行的
• 第2级是传统机器级。这级的机器语言是该机的指令集,程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释
• 第3级是操作系统级。从操作系统的基本功能来看,一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源,另一方面它又是传统机器的延伸
• 第4级是汇編语言级。这级的机器语言是汇編语言,完成汇编语言翻译的程序叫做汇編程序。
• 5级是高级语言级。这级的机器语言就是各种高级语言,通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作
• 第6级是应用语言级。这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的,因此这一级语言就是各种面向题的应用语言。

1-6 计算机系统的主要技术指标有哪些?

• 计算机系统的主要技术指标有：机器字长、数据通路宽度、主存容量和运算速度等