第一章 计算机概要与技术

1.1

1.1.1 计算应用的分类和特性

• 个人计算机(Personal Computer ,PC)
• 服务器(Server)

通常借助网络访问，能够提供更强的计算，存储和I/O能力
server比PC恢复的代价高故而强调可靠性

• 嵌入式计算机(embedded computer)

数量最多，一般通过简单设计来获得可靠性

1.1.2 后PC时代

云计算包括

IaaS 基础设施即服务
PaaS 平台即服务
SaaS 软件即服务
Web搜索和社交网络

云计算依赖于称为仓储规模计算机(WSC)的巨型数据中心

1.1.3

现代计算机特征

处理器的并行性，内存的层次性

1.2 计算机系统结构的8个伟大思想

面向摩尔定路的设计，使用抽象简化设计，加速大概率事件，通过并行提高性能，通过流水线提高性能，通过预测提高性能，存储器层次，通过冗余提高可靠性

软件的层次结构

外层是应用软件，中心是硬件，系统软件位于两者之间

系统软件:提供常用服务的支持，如操作系统，编译程序，加载程序和汇编程序等

系统软件中有两种对现代计算机系统来说是必须的：操作系统和编译程序
操作系统是用户程序和硬件之间的接口
：处理基本的输入和输出操作
分配外存和内存
为多个应用程序提供共享计算机资源的服务
编译程序(compiler)：把高级语言(C,C++,Java等)编写的程序翻译成硬件可以执行的指令

高级语言到硬件语言

二进制位(binary digit):也称为位，基数为2，由数字0或1表示，它是信息的基本组成元素
指令(instruction):计算机硬件能理解并服从的命令

下图语言的抽象化

graph LR
高级语言程序--编译-->c(汇编语言程序);
c--汇编-->二进制语言程序

汇编程序：将指令由助记符形式翻译成二进制形式的程序
汇编语言：以助记符形式表示的机器指令
机器语言：以二进制元形式表示的机器指令

硬件概念

计算机的基础硬件的基本功能：输入数据，输出数据，处理数据和存储数据

重点01

组成计算机的5个经典部件是输入，输出，存储器，[数据通路(也称为运算器)和控制器](合称处理器)

输入部件将数据写入存储器
输出部件从内存中读取数据
数据通路是处理器中执行算数操作的部分
控制器向数据通路，存储器，输入，输出部件发出命令信号

硬件

内存：程序运行时的存储空间，同时存储程序运行时所需的数据
DRAM：动态随机访问存储器，集成电路形式的存储器，可随机访问任何地址的内存

处理器内部使用的是另一种存储器–缓存(cache memory)一种小而快的存储器，一般作为DRAM的缓冲，采用静态随机访问存储器SRAM，其速度更快且不密集

SRAM 和 DRAM是存储器层次中的两层
缓存：小而快，一般作为大而慢的存储器的缓冲
SRAM：静态随机访问存储器(static random access memory),一种集成电路形式的存储器，比DRAM更快，集成度更低

改进设计的一个思想，抽象

其中最重要的抽象之一是硬件和底层软件之间的接口，被命名为计算机的指令集体系结构或简称体系结构

操作系统封装I/O操作，存储器分配和其他低级的系统功能细节，提供给应用程序员的基本指令集和操作系统接口合称为应用二进制接口

指令集体系结构：体系结构，是低层次软件和硬件之间的抽象接口，包含了需要编写正确运行的机器语言程序所需要的全部信息，包括指令，寄存器，存储访问和I/O等
应用二进制接口：用户部分的指令加上应用程序员调用的操作系统接口，定义了二进制层次可移植的计算机标准

重点

易失性存储器：仅在加电时保存数据，称为主存储器
非易失性存储器：掉电时仍可保持数据的存储器，称为二级存储器，二级存储器形成了存储器层次中下面更低的一层

个人看中响应时间，服务器看中吞吐率
响应时间：执行时间，是计算机完成某任务所需的总时间，包括硬盘访问，内存访问，I/O活动，操作系统开销和CPU执行时间等
吞吐率：也叫带宽，性能的另一种度量参数，表示单位时间内完成的任务数量
响应时间和吞吐率一般是正相关
性能和响应时间成反比

计算机通过时钟信号驱动硬件中发生的各种事件

处理器测量性能和功耗

硬件和软件设计者都采用分层的方法构建计算机系统：抽象原理是理解当今计算机系统的基础

CPU性能及其因素

一个程序的CPU执行时间=一个程序的CPU时钟周期数*时钟周期时间
时钟周期时间=1/时钟频率
CPU时钟周期数=程序的指令数*每条指令平均时钟周期数
CPI：每条指令的时钟周期数，表示执行某个程序或程序片段时每条指令所需的时钟周期平均数
IPC：每时钟周期可执行指令数，是CPI的倒数
=>>CPU时间=指令数*CPI*时钟周期时间

程序性能：与算法，编程语言，编译程序，体系结构和实际的硬件有关

最后

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