计算机组成原理——第1章计算机系统概述

我不是女神ヾ 2022-11-18 04:32 403阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、计算机系统
 *   *  1、硬件系统
     *   *  ① 冯·诺依曼结构
         *  ② 五大部件
     *  2、软件系统
     *   *  ① 系统软件
         *  ② 应用软件
         *  ③ 三个级别的语言
     *  3、工作过程
     *   *  ① 从源程序到可执行文件
         *  ② 执行指令过程的描述
 *  二、计算机系统的多级层次机构
 *  三、计算机的性能指标

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1.  计算机系统层次结构
    
    计算机系统的基本组成；计算机硬件的基本组成；
    
    计算机软件的分类；计算机的工作过程
2.  计算机性能指标
    
    吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间
    
    MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS

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# 一、计算机系统 #

计算机系统分为硬件系统和软件系统。

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## 1、硬件系统 ##

### ① 冯·诺依曼结构 ###

![冯·诺伊曼体系结构][b0be36059446a1f7caf2813705496860.png_pic_center]

*  特点：
    
    1.  计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成
    2.  指令和数据以同等地位存于同一存储器，可按地址寻访
    3.  指令和数据用二进制表示
    4.  指令由操作码和地址码组成
    5.  “存储程序”：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。
    6.  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

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### ② 五大部件 ###

1.  运算器
    
     *  功能：进行算术运算和逻辑运算
     *  组成：算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器、累加器（Accumulator ACC）
2.  控制器
    
     *  功能：“指挥”各部件自动协调地进行工作
     *  组成：控制单元（Control Unit CU）、指令寄存器（Instruction Register IR）、程序计数器（Program Counter PC）
3.  存储器
    
     *  功能：存放数据和程序
     *  组成：存储体、地址寄存器（Memory Address Register MAR）、数据寄存器（Memory Data Register MDR）、时序控制逻辑
4.  输入设备
    
     *  功能：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
5.  输出设备
    
     *  功能：将计算机处理的结果以人们熟悉的形式输出

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## 2、软件系统 ##

### ① 系统软件 ###

系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统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。

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### ② 应用软件 ###

应用软件是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。

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### ③ 三个级别的语言 ###

1.  机器语言
    
    二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的进制编码， 机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
2.  汇编语言
    
    汇编语言用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解，使用汇编语言编辑的程序，必须经过个称为汇编程序的系统软件的翻译， 将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。
3.  高级语言
    
    高级语言(如C、C++、Java等)是为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序，通常高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

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## 3、工作过程 ##

### ① 从源程序到可执行文件 ###

![源程序转换为可执行文件的过程][2021060517022369.png_pic_center]

1.  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，例如将\#include命令后面的h文件内容插入程序文件。输出结果是一个以.h扩展名的源文件hello.i
2.  编译阶段
    
    编译器（ccl）对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序hello.s。汇编语言源程序中的每条语句都以一种文本格式描述了一条低级机器语言指令
3.  汇编阶段
    
    汇编器(as)将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个称为可重定位目标文件的hello.o,它是一种二进制文件， 因此在文本编辑器中打开它时会显示乱码
4.  链接阶段
    
    链接器(ld) 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目标文件，或简称可执行文件。本例中，链接器将hello.o和标准库函数printf所在的可重定位目标模块printf.o合井，生成可执行文件hello最终生成的可执行文件被保存在磁盘上

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### ② 执行指令过程的描述 ###

程序中第一条指令的地址置于PC中，根据PC取出第一条指令， 经过译码、执行步骤等，控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令的功能，并计算下一条指令的地址。用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止。

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# 二、计算机系统的多级层次机构 #

![计算机系统的多级层次结构][20210605165835582.png_pic_center]

> 注：下层是上层的基础，上层是下层的扩展。

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# 三、计算机的性能指标 #

*  机器字长
    
    机器字长是指计算机进行一次整数运算(即定点整数运算)所能处理的二进制数据的位数，通常**与CPU的寄存器位数、加法器有关**。因此，机器字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。计算机字长通常选定为字节(8 位)的整数倍。
    
    > **注：** 机器宇长、指令字长、存储字长的区别和联系
    > 
    > 机器字长:计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，决定了计算机的运算精度。
    > 
    > 指令字长:一个指令字中包含的二进制代码的位数。
    > 
    > 存储字长:一个存储单元存储的二进制代码的长度。
    > 
    > 它们都必须是字节的整数倍。
    > 
    > 指令字长般取存储字长的整数倍， 若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出条指令， 因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长， 则取指周期等于机器周期。
 *  数据通路带宽
    
    数据通路带宽是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度(内部寄存器的大小)有可能不同。
    
    > **注：** 各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路
 *  主存容量
    
    主存容量是指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，也可用字数x字长（如512Kx16位）来表示存储容量。其中，MAR的位数反映存储单元的个数，MAR的位数反映可寻址范围的最大值(而不一定是实际存储器的存储容量)。
 *  吞吐量
    
    指系统在单位时间内处理请求的数量。
 *  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所需结果的等待时间。
 *  CPU
    
    1.  CPU时钟周期
        
        通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，执行指令的每个动作至少需要1个时钟周期
    2.  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。
        
        > **注:**  C P U 时 钟 周 期 = 1 主 频 \\textcolor\{\#E91E63\}\{CPU时钟周期=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{1\}\{主频\}\} CPU时钟周期=主频1，主频通常以 H z ( 赫 兹 ) \\textcolor\{\#0000FF\}\{Hz (赫兹)\} Hz(赫兹)为单位， 1 H z \\textcolor\{\#0000FF\}\{1Hz\} 1Hz 表示每秒1次。
    3.  CPI（Clock cycle Per Instruction）
        
        即执行一条指令所需的时钟周期数。
    4.  CPU执行时间
        
        指运行一个程序所花费的时间。  
         C P U 执 行 时 间 = C P U 时 钟 周 期 数 C P U 主 频 = ( 指 令 条 数 × C P I ) 主 频 \\textcolor\{\#E91E63\}\{CPU执行时间=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{CPU时钟周期数\}\{CPU主频\}=\}\\textcolor\{\#0000FF\}\{\\frac\{\\left(指令条数\\times CPI\\right )\}\{主频\}\} CPU执行时间=CPU主频CPU时钟周期数=主频(指令条数×CPI)
    5.  IPS（ Instructions Per Second）
        
        即每秒执行多少条指令。  
         I P S = 主 频 平 均 C P I \\textcolor\{\#E91E63\}\{IPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{主频\}\{平均CPI\}\} IPS=平均CPI主频
    6.  MIPS
        
        即每秒执行多少百万条指令。  
         M I P S = 指 令 条 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 6 ) = 主 频 ( C P I × 1 0 6 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{MIPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{指令条数\}\{\\left(执行时间\\times 10^6\\right )\}=\}\\textcolor\{\#0000FF\}\{\\frac\{主频\}\{\\left(CPI\\times 10^6\\right )\}\} MIPS=(执行时间×106)指令条数=(CPI×106)主频
    7.  MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS和ZFLOPS
        
         *  MFLOPS（Mega Floating-point Operations Per Second）
            
            即每秒执行多少百万次浮点运算。  
             M F L O P S = 浮 点 操 作 次 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 6 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{MFLOPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{浮点操作次数\}\{\\left(执行时间\\times 10^6\\right )\}\} MFLOPS=(执行时间×106)浮点操作次数
         *  GFLOPS（Giga Floating-point Operations Per Second）
            
            即每秒执行多少十亿次浮点运算。  
             G F L O P S = 浮 点 操 作 次 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 9 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{GFLOPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{浮点操作次数\}\{\\left(执行时间\\times 10^9\\right )\}\} GFLOPS=(执行时间×109)浮点操作次数
         *  TFLOPS（Tera Floating-point Operations Per Second）
            
            即每秒执行多少万亿次浮点运算。  
             T F L O P S = 浮 点 操 作 次 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 12 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{TFLOPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{浮点操作次数\}\{\\left(执行时间\\times 10^\{12\}\\right )\}\} TFLOPS=(执行时间×1012)浮点操作次数
         *  PFLOPS  
             P F L O P S = 浮 点 操 作 次 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 15 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{PFLOPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{浮点操作次数\}\{\\left(执行时间\\times 10^\{15\}\\right )\}\} PFLOPS=(执行时间×1015)浮点操作次数
         *  EFLOPS  
             E F L O P S = 浮 点 操 作 次 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 18 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{EFLOPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{浮点操作次数\}\{\\left(执行时间\\times 10^\{18\}\\right )\}\} EFLOPS=(执行时间×1018)浮点操作次数
         *  ZFLOPS  
             Z F L O P S = 浮 点 操 作 次 数 ( 执 行 时 间 × 1 0 21 ) \\textcolor\{\#E91E63\}\{ZFLOPS=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{\\frac\{浮点操作次数\}\{\\left(执行时间\\times 10^\{21\}\\right )\}\} ZFLOPS=(执行时间×1021)浮点操作次数
        
        > **注：** 在描述存储容量、文件大小等时， K \\textcolor\{\#0000FF\}\{K\} K、 M \\textcolor\{\#0000FF\}\{M\} M、 G \\textcolor\{\#0000FF\}\{G\} G、 T \\textcolor\{\#0000FF\}\{T\} T通常用2的幂次表示，如 1 K b = 2 10 b \\textcolor\{\#E91E63\}\{1Kb=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{2^\{10\}b\} 1Kb=210b；在描述速率、频率等时， k \\textcolor\{\#0000FF\}\{k\} k、 M \\textcolor\{\#0000FF\}\{M\} M、 G \\textcolor\{\#0000FF\}\{G\} G、 T \\textcolor\{\#0000FF\}\{T\} T通常用10的幂次表示，如 1 k b / s = 1 0 3 b / s \\textcolor\{\#E91E63\}\{1kb/s=\}\\textcolor\{\#9933FF\}\{10^\{3\}b/s\} 1kb/s=103b/s。 通常前者用大写的 K \\textcolor\{\#0000FF\}\{K\} K，后者用小写的 k \\textcolor\{\#0000FF\}\{k\} k，但其他前缀均为大写，表示的含义取决于所用的场景。
    8.  基准程序（Benchmarks）
        
        基准程序是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，从而评测其性能。对于不同的应用场合，应该选择不同的基准程序。
        
        一般情况下，基准测试程序能够反映机器性能的好坏。但是，由于基准程序中的语句存在频度的差异，因此运行结果并不能完全说明问题。

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**生活不可能像你想象的那么好，但也不会像你想象的那么糟。人的脆弱和坚强都超乎自己的想象。**——莫泊桑《羊脂球》

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