《计算机组成原理》第一章 计算机系统概述

1.2 计算机系统层次结构

1.2.1 计算机系统的组成

• 硬件系统和软件系统共同构成了一个计算机系统。
• 硬件是指有形的物理设备。
• 软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档（软件=程序+数据+文档）。

1.2.2 计算机硬件

1. 冯 · 诺依曼机基本思想

• 特点

  • 采用“存储程序”的工作方式
  • 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备 5大部件组成
  • 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，计算机能区分
  • 指令和数据均用二进制表示
  • 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址

• “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储器后才能执行，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。

2. 计算机的功能部件

• 输入设备
• 输出设备

• 存储器

  • 主存储器（主存或内存）：CPU能直接访问的存储器

    • 存储器地址寄存器（MAR）：存放访存地址（位数=存储单元的个数）
    • 存储器数据寄存器（MDR）：用于暂存要从存储器中读或写的信息（位数=存储字长）
  • 辅助存储器（外存）：帮助主存记忆更多的信息
  • 存储元件：每个元件存储一位二进制代码
  • 存储单元：包含若干个存储元件
  • 存储字：存储单元存储的一串二进制代码
  • 存储字长：该存储字的二进制代码的位数
    

• 运算器

  • 算术逻辑单元（ALU）：运算器的核心。
  • 累加器（ACC）：用于存放操作数，或计算结果
  • 乘商寄存器（MQ）：在乘除计算时，用于存放操作数，或运算结果
  • 操作数寄存器（X）：通用的操作数寄存器，用于存放操作数

• 控制器

  • 程序计数器（PC）：存放下一条执行指令的地址，具有自动加 1 的功能
  • 指令寄存器（IR）：存放当前指令
  • 控制单元（CU）：分析指令，给出信号

3.计算机结构

• 早期冯诺依曼机
  以 运算器 为中心
  
• 现代计算机结构
  以 存储器 为中心
  
  

1.2.3 计算机软件

1. 系统软件和应用软件

• 系统软件

  • 一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件
  • 主要有操作系统（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、标准库程序、服务性程序等

• 应用软件

  • 指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序
  • 如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序等

2. 三个级别的语言

• 机器语言（低级语言）

  • 二进制代码语言，是计算机唯一可以直接识别和执行的语言
• 汇编语言（低级语言）
• 高级语言

• 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）

  • 将原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（一句一句翻）

• 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（一次性翻完）
  

3. 软件和硬件的逻辑功能等价性

对于同一个功能，既可以由硬件实现（性能高成本高），也可以由软件实现（性能低成本低）

1.2.4 计算机系统的层次结构

1.2.5 计算机系统的工作原理

1. 从原程序到可执行文件

2. 指令执行过程的描述

1.3 计算机的性能指标

1.3.1 计算机的主要性能指标

1. 机器字长

指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数，通常和 CPU 的寄存器、ALU有关

2. 数据通路带宽

指数据总线一次所能并行传送信息的位数。

3. 主存容量

$2^{MAR的位数}\times MDR的位数 (bit)$
= $2^{MAR的位数}\times MDR的位数 /8 (Byte)$

4. 运算速度

• 吞吐量
  系统在单位时间内处理请求的数量
• 响应时间
  从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求作出响应并获得所需结果的等待时间
• CPU 时间周期
  $CPU 时间周期=\frac{1}{主频}$ 单位：微秒
• 主频
  $主频=\frac{1}{CPU时间周期}$ 单位：hz
• CPI
  执行一条指令所需的时间周期。
• 平均 CPI
  对于程序或机器指令集中的所有指令执行所需的平均时钟周期
• IPS
  每秒执行多少指令。
  $IPS=\frac{主频}{平均CPI}=\frac{1}{时间周期\times 平均CPI}$
• CPU 执行时间
  $CPU执行时间$
  $=CPU时间周期数 \times时间周期$
  $=指令条数\times CPI \times 时间周期$
  $=\frac{指令条数 \times CPI}{主频}$
  $=\frac{CPU时间周期数}{主频}$
• MIPS
  每秒执行多少百万条指令

• FLOPS
  每秒执行多少次浮点运算

  • MFLOPS：百万（$10^6$）
  • GFLOPS：十亿（$10^9$）
  • TFLOPS：万亿（$10^{12}$）
  • PFLOPS：千万亿（$10^{15}$）
  • EFLOPS：百京（$10^{18}$）
  • ZFLOPS：十万京（$10^{21}$）

  1.3.2 几个专业术语

• 系列机
• 兼容
• 固件