书小宅之计算机组成原理——计算机概要与技术

现代计算机的特征是处理器的并行性和层次性。

计算机的结构层次

• 应用软件
• 系统软件
  • 操作系统:用户程序和硬件之间的接口，为用户提供各种监控和服务功能(I/O，分配内存和外存，为多个应用程序提供共享计算机资源的服务。)
  • 编译软件:把高级计算机语言翻译成硬件能执行的指令(二进制数)。
• 硬件

计算机的五个典型部件:输入、输出、存储器、运算器和控制器，后两个称为处理器。

电子技术取代老式机电技术的例子:
1、光电鼠标取代电动机电式鼠标；
2、闪存。

存储

内存用于存储程序运行时的数据存储空间。
DRAM用于承载程序的指令和数据，磁盘访问内存的时间与数据存储位置有关，但是 DRAM访问内存所需的时间基本相同。
缓存(cache采用SRAM存储技术):小而快,一般做DRAM的缓冲。

易失去性存储器，指断电易失去，又称为主存储器(如内存)。DRAM占主导地位。
非易失去性存储器，指断电不易失去，又称为二级存储器。其中，磁盘占主导地位，磁盘使用磁性介质，访问速度慢，容量大每GB价格相对较底低。闪存也是一种非易失去性存储器，属于半导体存储介质，主要用于手机。

集成电路

集成电路领域中的摩尔定律:芯片中晶体管容量每隔18-24个月将翻一倍。
与良好的绝缘体或良好的导电体不同，晶体管是可靠电信号（如电流）控制的可控导电体或绝缘体（类似开关）。

CMOS【Complementary Metal Oxide Semiconductor】互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元，占统治地位的集成电路技术。其动态功耗：
动态功耗 = 负载电容 × 电压^2 × 开关频率
电压下降会使晶体管漏电严重，反而使功耗变大。

性能

于性能而言，个人计算机的用户重视响应时间；有很多用户投放作业的数据中心重视吞吐率。

• CPU执行时间(简称CPU时间):测量单位为秒，表示执行某任务在CPU上所花费的时间，而不包括等待I/O或运行其他程序的时间【需要于与程序响应时间进行辨析】。分为:

  • 用户CPU时间【CPU性能】:在程序本身所花费的CPU时间;
  • 系统CPU时间【系统性能】:为执行程序而花费在操作系统上的时间。

• 时钟周期时间:测量单位为秒，为计算机一个时钟周期的时间，通常是处理器时钟，一般为常数。

• 时钟频率:时钟周期的倒数。

• CPI：【clock cycles per instruction】:每条指令所需的平均时钟周期数。

一CPU时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期
一CPU时间 = 指令数 × CPI / 时钟频率
据此:减少程序cpu时钟周期数，减少时钟周期时间或提高时钟频率能改进性能。

Amdahl定律求改进以后程序的执行时间：
改进后的执行时间 = 受改进影响的执行时间 / 该尽量 +不受影响的执行时间

硬件和软件对性能的影响

影响因素	影响方式
算法	决定指令数和执行I/O操作的数量
编程语言、编译程序和体系结构	决定每行源代码对应机器指令的数量
处理器和存储器系统	决定指令执行速度的快慢
I/O系统(硬件和操作系统)	决定I/O操作执行速度的快慢

硬件只能处理简单的低级指令，要通过多层软件系统讲将复杂的指令解释和翻译成简单的机器指令(二进制数)。

高级程序语言:由单词和助记符号组成，接近自然语言，提高生产效率；
汇编语言:以助记住符形式表示的机器指令；
机器语言:二进制元形式表示的机器指令。

编译程序将高级程序语言转变位汇编语言，汇编程序将汇编语言转变为机器语言。

敬请各位批评指正！