计组第一讲 2023.2.23

第一章概论

计算机的组成

I/O（输入、输出）
存储器
计算器
控制器（与计算器组成CPU，中央处理设备）

此外，还有接口转换卡，总线等等

计算机的分类

数字计算机

处理数字量信息，按位运算，不连续跳动计算
- 专用计算机（适应性较差）
- 通用计算机（适应性较好）
模拟计算机

处理模拟量信息，数值连续，运算过程连续

计算机的性能指标

吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。
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。
利用率 在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。
处理机字长（机器字长） 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如 32 位、64 位。
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。
主存储器容量

主存储器所能存储二进制数据的位数，存储器中所有存储单元的总数目，通常用 KB、MB、GB、TB 来表示。

或者说“主存储器中所有存储元的总数目”，而不是“存储单元（8位）”！
主存储器带宽 单位时间内从主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)。主频的倒数称为 CPU 时钟周期(T)，T=1/f，度量单位是 μs、ns。
CPU 执行时间 表示 CPU 执行一般程序所占用的 CPU 时间，可用下式计算:

$CPU 执行时间=CPU 时钟周期数×CPU 时钟周期$
CPl 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:

$CPI=执行某段程序所需的 CPU 时钟周期数÷程序包含的指令条数$
MIPS (Million Instructions Per Second)的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，即单位时间内执行的指令数，用下式计算:

$MIPS=指令数÷(程序执行时间×10^6)$

针对标量机（执行一条指令，只得到一条运算结果）
MFLOPS 每秒百万次浮点操作数,衡量机器浮点操作的性能

针对向量机（执行一条指令，通常可得到多个运算结果)
FLOPS (Floating-point Operations Per Second)的缩写，表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算:

$FLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间(s)$

$$ t_{CPU}=N_C×T=N_C/f=I_N×CPI×T $$

硬件

运算器

处理所有的算术与逻辑运算

通常称为ALU（算术逻辑单元）

采用二进制数据进行运算
一次可以处理的数据位数称为机器字长，一般为2的级数
运算器主要由ALU和各类通用寄存器组成

存储器

保存所有的程序和数据

二进制形式保存程序和数据
存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址

区分：

存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件

存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成

单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始

存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量

控制器

根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作

解释并执行指令
控制指令的执行顺序
负责指令执行过程中，操作数的寻址
根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置

指令的形式

操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等
地址码：指出进行以上操作的数据存放位置

控制器工作的周期

取指周期：取指令的一段时间
执行周期：执行指令的一段时间

计算机按照不同时间段读出的字段判断读到的是指令还是数据

指令按顺序执行的控制部件：指令计数器

每取出一条指令，指令计数器就加1步（就是一条指令的字节数）
遇到转移类指令，控制器就会根据所执行指令设置指令计数器的值

一些概念

数据字：该字代表要处理的数据
指令字：该字为一条指令
指令流：取指周期中，从内存读出的信息流
数据流：执行周期中，从内存读出的信息流
PC：程序计数器，其位数与MAR相同
IR：指令寄存器，其位数与MDR相同

适配器与IO设备

输入设备

将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备

输出设备

把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备

适配器

保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息

系统总线

构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路

软件

系统程序

用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途

服务性程序 如诊断程序、排错程序、练习程序等
语言类程序 如汇编程序、编译程序、解释程序等
操作系统
数据库管理系统

应用程序

用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序

工程设计程序
数据处理程序
自动控制程序
企业管理程序
情报检索程序
科学计算程序

计算机系统的层次结构

从不同角度看到的计算机的构成

微程序设计级

硬件级，硬件信号作用于计算机

一般机器级

硬件级，使用微程序解释机器语言

操作系统级

混合级，使用机器指令和广义指令

汇编语言级

软件级，使用汇编语言

高级语言级

软件级，使用高级语言

软件与硬件的逻辑等价性

硬件

指计算机系统中使用的电子线路和物理装置

软件

指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合
由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成

固件

具有某软件功能的硬件，一般用ROM实现
功能上是软件，形态上是硬件