计算机系统概论

Posted:   September 18, 2019

Status:   Completed

Tags :   计组

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一、计算机硬件发展

1.计算机的四代变化

  1. 第一代计算机：电子管时代
    • 使用机器语言编程
    • 主存用延迟线或磁鼓存储信息，容量极小
    • 体积大，成本高
    • 运算速度较低，几千次到几万次每秒
  2. 第二代计算机：晶体管时代
    • 开始使用高级语言，有了操作系统雏形
    • 主存使用磁心存储器
    • 运算速度提高，几万次到几十万次每秒
  3. 第三代计算机：中小规模集成电路时代
    • 高级语言迅速发展，操作系统迅速发展
    • 半导体存储器开始取代磁心存储器
  4. 第四代计算机：超大规模集成电路时代
    • 产生微处理器
    • 并行，流水线，高速缓存，虚拟存储器

2.计算机元件的更新换代

  1. 摩尔定律
  2. 半导体存储器的发展
  3. 微处理器的发展

二、计算机软件发展

  • 面向机器的机器寓言->汇编语言->面向问题的高级语言（真正促进了软件的发展）
  • FORTRAN->PASCAL->C++->Java
  • 解释程序的特点是翻译一句执行一句，边翻译边执行
  • 高级语言转化为汇编语言的过程叫做编译
  • 汇编语言转化为机器语言的过程叫做汇编
  • 软件和硬件在逻辑上是等效的，但不是等价的，需要注意区别

三、计算机的分类与发展方向

  1. 电子计算机：
    • 电子模拟计算机
    • 电子数字计算机
  2. 数字计算机：
    • 专用计算机
    • 通用计算机
    • 根据计算机的效率、速度、价格、运行经济性、适用性
  3. 通用计算机：
    • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
    • 体积、功耗、数据存储量、指令系统复杂度、价格依次递减
  4. 指令与数据流
    1. 冯-诺依曼体系结构：单指令流和单数据流系统（SISD）
    2. 阵列处理器和向量处理器：单指令流和多数据流系统（SIMD）
    3. 不存在：多指令流和单数据流系统（MISD）
    4. 多处理器与多计算机系统：多指令流和多数据流系统（MIMD）

四、计算机硬件的基本组成

  1. 以此概念为基础的各类计算机通称为冯-诺伊曼机
    • 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入/输出设备，五大部件组成
    • 指令和数据以同等地位存储在存储器中，可以按址寻访
    • 指令和数据用二进制代码表示，但CPU可以根据指令周期的不同阶段来区分是指令还是数据，通常在取指令阶段取出来的是指令，在执行阶段取出来的是数据（采取二进制的原因：二进制运算规则简单、制造两个稳态的物理器件较容易、便于用逻辑门电路实现算术运算）
    • 指令由操作码（表示操作的性质）和地址码（表示操作数在存储器的位置）组成
    • 指令在存储器中按照顺序存放。通常，指令按顺序执行，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
    • 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
  2. 现代计算机组成结构
    • 以运算器为中心的结构不能满足计算机发展的要求
    • 现代计算机已经发展为以存储器为中心，使I/O操作尽量绕过CPU，直接在输入/输出设备与存储器之间完成
    • 绝大多数现代计算机依旧遵循冯-诺伊曼的存储程序的设计思想，这是最根本的特征
    • 基本工作方式是控制流驱动方式，基本工作方式的基本特点是按地址访问并顺序执行指令
  3. 存储程序
    • 指将指令以代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后按该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束
  4. 计算机的功能部件
    1. 输入设备（略）
    2. 输出设备（略）
    3. 存储器
      • 主存储器：CPU能够直接访问
      • 辅助存储器：存储的信息必须调入主存CPU才能访问
      • 主存储器->许多存储单元->若干存储元件->存储一位二进制代码“1”“0”，因此存储单元可以存储一串二进制代码（存储字），这串代码的位数（存储字长），1B（8bit）
      • 主存储器工作方式是按地址存取
      • 存储体存放二进制信息
      • 地址寄存器（MAR）：存放访存地址，经过地址译码后找到所选存储单元，用于寻址（位于现代CPU中，但并没有集成到运算器中，CPU是由控制器与运算器组成的）
      • 数据寄存器（MDR）：主存与其他部件的中介结构，暂存从存储器中读或写的信息（现代CPU中）
      • 时序控制逻辑：产生存储器操作所需的时序信号
    4. 控制器（指挥各部件自动协调地进行工作）
      • 程序计数器（PC）：存放当前欲执行指令的地址，可以自动+1形成下一条指令的地址，与主存的MAR之间有一条直接通路；
      • 指令寄存器（IR）：用来存放当前的指令，其内容来自主存的MDR。指令中的操作码OP（IR）送至CU，用来分析指令并发出各种微操作命令序列；地址码Ad（IR）送往MAR，用来取操作数；
      • 控制单元（CU）
    5. 运算器
      • ALU（算术逻辑单元 Arithmetic and Logical Unit）
      • 若干通用寄存器
      • ACC（累加器）、MQ（乘商寄存器）、X（操作数寄存器）、IX（变址寄存器）、BX（基址寄存器）
      • PSW（程序状态寄存器）

五、计算机软件的分类

  1. 系统软件和应用软件分类
    • 系统软件：保证计算机系统高效、正确运行的基础软件。
    • 应用软件：用户为了解决某个应用领域内的各类问题而编制的程序。
    • 数据库管理系统（DBMS）与数据库系统（DBS）是有区别的。
  2. 三个级别的语言
    • 机器语言
    • 汇编语言
    • 高级语言

  3. 语言关系

    • 翻译程序有两种：
      • 编译程序：将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序，每次执行程序时，只需要执行目标程序。
      • 解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应的机器目标代码，并且立即执行，然后翻译下一条源程序语句然后执行，知道所有源程序全部被翻译并执行完。（并不会生成目标程序）（一句一句的来，会比编译程序慢一些）
      • 汇编程序：把汇编语言言承旭翻译为机器语言程序（目标程序）

六、计算机的工作过程

  1. 把数据和程序装入主存储器

  2. 从程序的起始地址运行程序

  3. 用程序的首地址从存储器中取出第一条指令，经过译码、执行步骤等控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令功能，并计算下一条指令的地址

  4. 用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止，然后循环往复

    取指令：PC->MAR->M->MDR->IR

    分析指令：OP（IR）->CU

    执行指令：Ad（IR）->MAR->M->MDR->ACC

    下一条指令：（PC）+1->PC

七、计算机系统的多级层次结构

  1. 层次之间关系亲密，下层是上层的基础，上层是下层的扩展（有点类似于计网哦）。

八、计算机的主要性能指标

  1. 机器字长：计算机进行一次定点整数运算所能处理的二进制数据的位数
    • 通常和CPU寄存器位数、加法器有关。
    • 机器字长一般等与内部寄存器的大小
    • 字长越长，计算精度越高
    • 机器字长、存储字长、指令字长的区别
  2. 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数
    • 数据通路宽度指外部数据总线宽度
    • 内部数据总线宽度（内部寄存器大小）
    • 各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路
  3. 主存容量：主存储器所能存储信息的最大容量，可以用字节衡量，亦可以用字数×字长
    • MAR的位数反应存储单元的个数，也可以反映可寻址范围的最大值
    • 注意这有可能出些奇怪的题目，暂时还不清楚
  4. 运算速度
    • 吞吐量与响应时间
    • 主频和CPU时钟周期

附录（我也就在这爽一下了，假装自己在写论文）

  1. 系列机：具有基本相同的体系结构，使用相同基本指令系统的多个不同型号的计算机组成一个产品系列
  2. 兼容：计算机软件和硬件的通用性
  3. 软件可移植性：把使用在某个系列机中的软件直接或进行少量修改就能运行在另一个系列计算机的可行性
  4. 固件：将程序固定在ROM中组成的部件称为固件，是一种具有软件特性的硬件

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