第一章 计算机系统概论

1.1 计算机的分类

电子模拟计算机

特点：数值由连续量来表示，运算过程也是连续的

电子数字计算机

特点：按位运算，并且不连续地跳动计算。
电子模拟计算机精度和解题能力有限，应用范围较小，习惯上所称的电子计算机，一般是指现在广泛应用的电子数字计算机。又分为专用计算机和通用计算机，

• 专用计算机是最有效、最经济和最快速的计算机，但其适应性很差。
• 通用计算机牺牲了效率、速度和经济性，但其适应性很大。

1.2 计算机发展简史 （重点）

自1946年计算机诞生至今，大约每五年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，体积缩小10倍。

摩尔定律

1965年，戈登·摩尔（原Intel董事长）提出。

晶体管表面积（即刻在集成电路板上的面积）每18个月就会缩小大约50%。换言之，微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半

1.3 计算机的性能指标

吞吐量

• 表示一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）

响应时间

• 表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10^-6s）、纳秒（10^-9s）。

利用率

• 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。

处理机字长

• 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。

总线宽度

• 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

存储器容量

• 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
• 其中1K=2¹⁰B，1M=2²⁰B，1G=2³⁰B，1T=2⁴⁰B，1B=8bit（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。

存储器带宽

• 存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

主频/时钟周期

• CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。
• 度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。 例如Pentium系列机为60MHz～266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。
• 主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。

CPU执行时间

• 表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：
  $$CPU执行时间＝CPU时钟周期数\times CPU时钟周期长$$

CPI

• 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算
• $$CPI=\frac{执行某段程序所需的CPU时钟周期数}{该程序包含的指令条数}$$

MIPS

• 表示每秒百万条指令数，用下式计算
  $$MIPS=\frac{指令条数}{程序执行时间\times 10^6}=\frac{时钟频率}{CPI\times 10^6}$$
• MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高，说明机器速度越快。
  程序执行时间Te为：
  $$Te=\frac{指令条数}{MIPS\times 10^6}$$

MFLOPS / TFLOPS

• MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算
  $$MFLOPS=\frac{程序中的浮点操作次数}{程序执行时间\times 10^6}$$
• MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。

1.4 冯·诺依曼体系结构（重点）

冯·诺依曼计算机基本设计思想：存储程序和程序控制！
拥有以下特点

1. 由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。
2. 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中（哈佛结构放在不同存储器中），指令和数据都可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
3. 数据以二进制数码表示。
4. 指令由操作码和地址码组成。
5. 指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器（PC） 指明要执行的指令所在单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。
6. 机器以运算器为中心，I/O设备与存储器间数据传送都通过运算器。

1.5 计算机系统的层次结构

计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计。

层次结构的特点

• 每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持
• 第1级～第3级所用语言基本为二进制语言，机器执行和解释容易
• 第4级、第5级采用符号语言,有利于不了解硬件的人使用计算机
• 级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方便;

第1级 微程序设计级

第1级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。

第2级 一般机器级

第2级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。

第3级 操作系统级

第3级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广叉指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。

第4级 汇编语言级

第4级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能;如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。

第5级 高级语言级

第5级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。

最后

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