计算机系统概述

计算机系统概述

目录

• 计算机系统概述
  • 计算机系统的简介
  • 计算机系统的分类与发展方向
  • 计算机硬件的基本组成
    • 冯诺依曼计算机
    • 计算机系统的组成
  • 计算机的功能部件——存储器
  • 计算机的功能部件——运算器、控制器、工作过程
    • 运算器
    • 控制器
    • 计算机的工作过程——取数指令
  • 计算机的功能部件——I/O设备
  • 计算机系统多层次结构
  • 计算机性能指标（重要）
    • 容量
    • 速度

基本部件的结构和组织方式

基本运算的操作原理

基本部件和单元的设计思想

计算机系统的简介

两个部分

1. 硬件：计算机的实体

2. 软件：

   系统软件（用来管理整个计算机系统）

   ​ 语言处理程序

   ​ 操作系统

   ​ 数据库管理系统

   ​ 网络软件

   应用软件（按任务需要编制成各种程序）

计算机系统的分类与发展方向

两类

电子模拟计算机（连续）

电子数字计算机（离散）

​ 通用计算机

​ 专用计算机

指令和数据流：

1. 单指令流&单数据流（SISD）：冯诺依曼体系结构
2. 单指令流&多数据流（SIMD）：阵列处理器、向量处理器
3. 多指令流&单数据流（MISD）：实际上不存在
4. 多指令流&多数据流（MIMD）：多处理器、多计算机

发展趋势：“两级”分化

计算机硬件的基本组成

1. 冯诺依曼计算机
2. 现代计算机的组织结构
3. 计算机的功能部件

冯诺依曼计算机

“存储程序”：将指令以代码的形式事先输入到计算机主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

六个特点（必须记住）：

1. 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输入设备5大部件组成。
2. 指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访。
3. 指令和数据均用二进制代码表示。
4. 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5. 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6. 早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

计算机系统的组成

运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备

无法满足目前对数据量的需求

现代：

主机：CPU（运算器，控制器）+ 主存储器

外设：I/O设备（输入设备，输出设备） + 辅助存储器

计算机的功能部件——存储器

存储器=存储体+MAR+MDR

地址寄存器：

按照地址来访问存储器按照存储单元的地址号来实现对存储字各位的存和取

数据寄存器：

暂时存放我们存进来或者取出来的数据

时序控制逻辑：

能够控制我们对存储器访问的步骤

存储元：

存储单元：

存储体：

存储字：

同一个时刻只能有一个存储单元能够通的

译码器：

地址寄存器的地址翻译成存储单元的地址

MAR和MDR逻辑上是放在主存里的，但实际上是放在CPU里的

计算机的功能部件——运算器、控制器、工作过程

运算器和控制器在逻辑关系和电路结构联系是非常紧密的

运算器

是计算机的执行部件 功能是对数据进行加工处理，完成算术运算和逻辑运算。

核心：算术逻辑单元ALU。

控制器

指挥中心

计算机的工作过程——取数指令

M：主存中的某个存储单元

ACC、MQ、X、MAR、MDR...：相应寄存器

M(MAR)：取存储单元中的数据

(ACC)...:取相应寄存器中的数据

指令：操作码+地址码（操作码表示操作的性质，地址码操作数在存储器的位置。

OP(IR)：取操作码

Ad(IR):取地址码

工作过程：

首先先想一下，指令到哪里去找？到PC里去找，因为PC里存放的是我们想要执行的指令的地址（预执行的指令的地址）。

第一步，把PC里面的指令地址传给我们的地址寄存器MAR，地址寄存器得到了我们想要的指令地址后，在到存储体里去找。(PC)->MAR

第二步，根据这个指令地址取存储体中的指令，得到这条指令后把这条指令传送给数据寄存器MDR。M(MAR)->MDR

第三步，MDR在把得到的指令传给指令寄存器IR。(MDR)->IR

取指令结束。

指令寄存器进行分析指令操作

第四步，指令寄存器把操作码传送给控制单元CU。OP(IR)->CU

控制单元分析指令，然后发出各种微操作

分析指令结束

第五步，地址码保存操作数的地址，把这个地址传送给地址寄存器。Ad(IR)->MAR

第六步，MAR根据这个地址码在存储体找到这个操作数，把操作数给数据寄存器MDR。M(MAR)->MDR

第七步，然后数据寄存器把得到的数据给累加器。(MDR)->ACC

执行指令结束。

数据寄存器里既可以存放数据，也可以存放指令。

如何区分数据和指令？

指令周期的不同阶段

计算机的功能部件——I/O设备

外设

输入设备，输出设备

辅助存储器

I/O接口

计算机系统多层次结构

软件

虚拟机器M4（高级语言机器）——用编译程序翻译成汇编语言程序 c=a+b

虚拟机器M3（汇编语言机器）——用汇编程序翻译成机器语言程序 LOAD A,16

LOAD B,17

ADD C,A,B

STORE C,17

虚拟机器M2（操作系统机器）——用机器语言解释操作系统

硬件

传统机器M1（用机器语言的机器）——用微指令解释机器指令

0000,0000,00000000

微程序机器M0（微指令系统）——由硬件直接执行微指令1、微指令2.

计算机性能指标（重要）

1. 容量
2. 速度

容量

[总容量 = 存储单元个数 * 存储字长 (bit) ]

1Byte = 8bit

[n位地址 - > 2^n个存储单元 ]

[系统能支持的最大容量 = 2^n*存储字长 ]

速度

运算器的核心是算术核心单元（ALU）

机器字长：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（一般等于内部寄存器的大小）——决定了计算机运算的精度和速度

时钟周期

CPI：执行一条指令所需的时钟周期数

该指令耗时 = CPI * CPU时钟周期

假设每次只能处理1个二进制位，可以通过编程完成8位的运算

指令1

指令2

...

指令8

整个程序耗时 = 指令1耗时+指令2耗时+...+指令8耗时

=（指令1的CPI+指令2的CPI+...+指令8的CPU）*CPU时钟周期

=平均CPI * 指令条数 * CPU时钟周期

=CPU执行时间

数据通路带宽 ：数据总线一次所能并行传送信息的位数

吞吐量：指系统在单位时间内能够处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤都关系到主存因此，系统吞吐量主要取决主存的存储周期。

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它所需要的结果的等待时间。通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销时间等）