计算机系统概述

# 计算机系统概述

# 计算机的发展历程

# 计算机硬件能识别的数据

用低 / 高电平分别表示 0/1
- 低电平（表示二进制 0）
- 高电平（表示二进制 1）
计算机硬件唯一能识别的数据 —— 二进制 0/1

# 什么是计算机系统

本章所涉及的内容已从 408 考研大纲删除，简单了解本章内容即可，如是自命题仍需掌握

计算机性能的好坏取决于 “软”、“硬” 件功能的总和

# 硬件的发展

# 微处理器的发展

机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数

1947 年，贝尔实验室，发明了 “晶体管”
1955 年，肖克利在硅谷创建肖克利实验室股份有限公司
1957 年，八叛徒 (traitorous eight) 创立仙童半导体公司
1959 年，仙童半导体公司发明 “集成电路”
1968 年，摩尔等人离开仙童，创立 Intel
1969 年，仙童销售部负责人桑德斯离开仙童，创立 AMD

# 摩尔定律

摩尔定律：揭示了信息技术进步的速度集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍

半导体存储器的发展

1970 年，仙童公司生产出第一个较大容量的半导体存储器半导体存储器单芯片容量：1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB…

# 软件的发展

# 目前的发展趋势

“两极” 分化

一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。
另一极是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。

# 总结

# 计算机系统层次结构

# 早期冯诺依曼机

“存储程序” 的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。

Eg：对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算，也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现

冯・诺依曼计算机的特点：

计算机由五大部件组成
指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成
存储程序
以运算器为中心（输入 / 输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成）

# 类加工厂

早期冯诺依曼计算机类似于一个加工厂

# 现代计算机的结构

现代计算机：以存储器为中心

CPU = 运算器 + 控制器

# 总结

# 各个硬件的工作原理

# 主存储器的基本组成

Memory Address Register（存储地址寄存器）
Memory Data Register（存储数据寄存器）

存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字 (word)：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存 1bit

例：

MAR=4 位 → 总共有 $2^{4}$ 个存储单元
MDR=16 位 → 每个存储单元可存放 16bit，1 个字 (word) = 16bit

易混淆：1 个字节（Byte）= 8bit，1B=1 个字节，1b=1 个 bit

# 运算器的基本组成

运算器：用于实现算术运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）

ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果。
MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数
ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

# 控制器的基本组成

CU(Control Unit)：控制单元，分析指令，给出控制信号
IR (Instruction Register)：指令寄存器，存放当前执行的指令
PC (Program Counter)：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加 1 功能

# 计算机的工作过程

实际工作过程

上一条指令取指后 PC 自动 + 1，(PC)=1；执行后，(ACC)=2

上一条指令取指后 (PC)=2，执行后，(ACC)=6

上一条指令取指后 (PC)=3，执行后，(ACC)=7

上一条指令取指后 (PC)=4

CPU 区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

# 总结

冯诺依曼机的特点

# 计算机软件

# 系统软件和应用软件

应用软件是为了解决某个应用领域的问题而编制的程序
系统软件负责管理硬件资源，并向上层应用程序提供基础服务

# 三种级别的语言

机器语言：二进制代码
汇编语言：助记符
高级语言：C/C++、Java、Python

编译和解释的区别

编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次）
解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句（每次执行都要翻译）

# 软件和硬件的逻辑功能等价性

软件和硬件的逻辑功能等价性：同一个功能，既可以用硬件实现（性能高成本高），也可以用软件实现（性能低成本也低）

指令集体系结构 (ISA)：软件和硬件之间的界面。设计计算机系统的 ISA，就是要定义一台计算机可以支持哪些指令，以及每条指令的作用是什么、每条指令的用法是什么。

# 总结

# 计算机系统的多级层次结构

# 计算机系统的层次结构

我们编写的程序难免会使用到系统调用

M4：高级语言机器（执行高级语言）
M3：汇编语言机器（执行汇编语言）
M2：操作系统机器（向上提供广义指令）
MI：传统机器（执行机器语言指令）
M0：微程序机器（执行微指令）

# 计算机体系结构 vs 计算机组成原理

此处的 “透明”—— 看不见
某事 “公开透明”—— 看得见

# 总结

# 计算机性能指标

# 存储器的性能指标

总容量 = 存储单元个数 × 存储字长 bit，1Byte = 8bit = 存储单元个数 × 存储字长 / 8 Byte

Eg：MAR 为 32 位，MDR 为 8 位总容量 = $2^{3} 2 * 8 b i t = 4 G B$

n 个二进制位能表示出多少种不同的状态？

# CPU 的性能指标

CPU 主频：CPU 内数字脉冲信号振荡的频率。

Eg：某 CPU 主频为 1000Hz，某程序包含 100 条指令，平均来看指令的 CPI=3。该程序在该 CPU 上执行需要多久？

100 * 3 * \frac{1}{1000} = 0.3 s

CPU 执行时间（整个程序的耗时）= CPU 时钟周期数 / 主频 =（指令条数 * CPI）/ 主频

# 系统整体的性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）
吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU 能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
响应时间：指从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它所需要的结果的等待时间。通常包括 CPU 时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O 操作、操作系统开销等时间）。