第一章 计算机系统概述

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本文已参与「新人创作礼」活动,一起开启掘金创作之路。

计算机发展历程

电子管时代、晶体管时代、中小规模集成电路时代、超大规模集成电路时代

微型计算机的发展以 微处理器 技术为标志

第一台电子数字计算机		ENIAC(1946年)
摩尔定律					集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍
仙童半导体公司			第一个较大容量的半导体存储器(1970年)
Intel公司				第一个微处理器(1971年)
ARM公司				

计算机系统层次结构

计算机系统的组成

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计算机硬件

  • 冯·诺依曼机的特点

    1. 采用“存储程序”工作方式
    2. 计算机硬件系统包括运算器(中心)、控制器、存储器、输入设备、输出设备5大部件
    3. 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
    4. 指令和数据均用二进制代码表示
  • 冯·诺依曼机的工作方式:控制流驱动方式

  • CPU区分指令和数据的依据:指令周期的不同阶段

  • 存取速度:寄存器 > Cache > 内存

  • 现代计算机是以存储器为中心

  • 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,直至程序执行结束

  • 基于存储程序原理计算机应有的功能为:数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能

部件功能/任务
输入设备将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机^*^
输出设备将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出^*^
运算器用于算术运算和逻辑运算(算术逻辑单元ALU 累加器ACC 乘商寄存器MQ 操作数寄存器X等)
存储器
控制器

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存储元件存储一位二进制代码
存储单元存储一串二进制代码(存储字),这串代码的位数为存储字长,为 1B 或 字节的偶数倍
MAR用于寻址,位数对应着存储单元的个数,与PC的长度相等
MDR的位数和存储字长相等

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计算机软件

  • 软件按功能分类,分为 系统软件应用软件
数据库系统不属于系统软件、数据库管理系统属于系统软件
  • 计算机语言

    1. 机器语言:计算机唯一可以直接识别和执行的语言
    2. 汇编语言
    3. 高级语言
  • 翻译程序

    1. 汇编程序
    2. 解释程序
    3. 编译程序
解释程序是解释一句,执行一句;编译程序是编译一段,执行一段

计算机系统的层次结构

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没有配备软件的纯硬件系统称为裸机
3-5 层称为虚拟机
下层是上层的基础,上层是下层的扩展

计算机系统的工作原理

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计算机的性能指标

  1. 字长 计算机进行一次整数运算(定点整数运算)所能处理的二进制数据的位数 通常为字节(8位)的整数倍 与CPU的寄存器位数、加法器有关 字长越长,数的表示范围越大,计算精度越高

  2. 数据通路带宽 (外部)数据总线所能并行传送信息的位数

数据通路:各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径
  1. 主存容量 主存储器所能存储信息的最大容量(不是实际容量)

  2. 运算速度

    1. 吞吐量 系统在单位时间内处理请求的数量 主要取决于主存的存取周期
    2. 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
    3. 主频 机器内部主时钟的频率 主频越高,完成指令的一个执行步骤所用的时间越短,执行指令的速度越快
    4. CPU时钟周期 主频的倒数,CPU中最小的时间单位
    5. CPI 执行一条指令所需的时钟周期数
    6. CPU 执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = (指令条数×CPI)/主频 影响因素:主频、CPI、指令条数
    7. MIPS 每秒执行多少百万条指令 = 指令条数/(执行时间×10^6^) = 主频/(CPI×10^6^)
    8. MFLOPS 每秒执行多少百万次浮点运算
    9. 基准程序
  • 系列机:使用相同基本指令系统的多个不同型号的计算机组成的一个产品系列

  • 兼容:运行在某个型号的计算机系统中的硬件/软件也能应用于另一个型号的计算机系统(同一系列)

  • 固件:将程序固化在ROM中组成的部件