计算机系统概论
计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
2. 计算机系统的层次结构
- 系统复杂性管理的方法(物理)
抽象(隐藏系统中不重要的细节) - 系统的复杂性管理方法(程序员)
3. 计算机体系结构和计算机组成
| 计算机体系结构 | 程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性(指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理) |
| ---- | ---- | ---- |
| 计算机组成 | 实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令实现） |
计算机组成实现计算机体系结构的方法
计算机的基本组成
冯·诺依曼计算机的特点
- 计算机由五大部件组成(运算器存储器控制器I/O设备)
- 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(具有这个特点的都称为冯诺依曼计算机)
- 以运算器为中心
冯·诺伊曼计算机硬件框图
运算器(核心)：算数运算、逻辑运算
存储器：存放数据和程序
控制器：指挥控制程序的运行
输入设备：将信息转换成机器能识别的形式，通过运算器保存到存储器
输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式
缺点：运算器负担太大，不具有层次
计算机硬件框图(改进)
1.以存储器为中心的计算机硬件框图
2. 现代计算机硬件框图
系统复杂性管理的方法
- 层次化：将被设计的系统划分为多个模块或子模块，把大问题分成小问题解决
- 模块化：有明确定义的功能和接口，用来组装划分的小模块
- 规则性：模块更容易被重用
指令格式 :
| 操作码 | 地址码 |
|---|
指令和数据以同等的地位保存在存储器
计算机的解题过程
1. 存储器的基本组成
-
存储体由多个存储单元组成，存储单元由多个存储元件组成 -
存储单元存放一串二进制代码 -
存储字是存储单元中二进制代码的组合 -
存储字长是存储单元中二进制代码的位数，每个存储单元赋予一个地址 - 存储单元
按地址寻访 -
MAR存储器地址寄存器，反应存储单元的个数 -
MDR存储器数据寄存器，反应存储字长
2. 运算器的基本组成及操作过程
ACC累加器ALU算术逻辑单元MQ乘商寄存器X操作寄存器
| ACC | MQ | X | |
|---|---|---|---|
| 加法 | 被加数和 | 加数 | |
| 减法 | 被减数和 | 减数 | |
| 乘法 | (乘积高位) | 乘数(乘积低位) | 被乘数 |
| 除法 | 被除数 | 商 | 除数 |
3. 控制器的基本组成
- 取指令需要地址，地址保存在
PC寄存器当中 - PC存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能(下一个指令的地址)
(PC) + 1 → PC -
IR(指令寄存器)存放当前欲执行的指令操作码，包括在分析指令过程
-CU控制单元(核心)
4. 主机完成一条指令的过程
运算器、控制器、存储器构成了计算机的主机
例子
ax²+bx+c程序的运行过程
- 将程序通过输入设备送至计算机
- 程序首地址→PC
- 启动机器运行程序
- 取指令
PC→MAR→存储体→MDR→IR，(PC) + 1 → PC - 分析指令
IR(操作码部分，用OP表示)→CU(对操作码进行分析) - 执行指令(也是取数指令，要取的数的地址保存在IR里)
IR(地址码部分，用Ad表示)→MAR→存储体→MDR→ACC - 打印结果(也要经过取、分析、执行)
- 停机
计算机硬件的主要技术指标
-
机器字长 CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关
-
运算速度
- 主频
- 核数 每个核支持的线程数
- 吉普森法
- CPI 执行一条指令所需时钟周期数
- MPIS 每秒执行百万条指令
- FLOPS 每秒浮点运算次数
-
存储容量(存放二进制信息的总位数)
- 主存容量
- 存储单元个数X存储字长(如MAR=10,MDR=8。MAR有2的10次方个编号，记为1K，有1K个存储单元。每个存储单元当中保存了八位二级制信息，这个存储体容量可以写成 1K X 8 位)(MAR=16,MDR=32 则 64K X 32位)
- 字节数 如2的13次方b = 1 KB，2的21次方b = 256KB
- 辅存容量
- 字节数 80GB
- 主存容量