第 1 章 计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

1.1.1 计算机硬件的发展

1. 第一代计算机：电子管
2. 第二代计算机：晶体管
3. 第三代计算机：中小规模集成电路
4. 第四代计算机：超大规模集成电路
5. 摩尔定律：价格不变时，每隔18个月，晶体管的数目和性能提升一倍。
6. 微处理器：8位-16位-32位-64位
7. 半导体存储器的发展：容量越来越大。

1.2 计算机系统层次结构

1.2.1 计算机系统的组成

1. 硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。
2. 软（灵活性高）硬（效率高）件在逻辑上是等效的。

1.2.2 计算机硬件的基本组成

1. 早期的冯 · 诺依曼机
   1. 硬件系统：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
   2. 指令和数据以同等地位存储在存储器中，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。
   5. 指令在存储器内按顺序存放。
   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。
2. 现代计算机的组织结构
   1. 以存储器为中心，I/O操作尽可能绕过CPU。
3. 计算机的功能部件
   1. 输入设备：键盘、鼠标、网卡、扫描仪等。
   2. 输出设备：显示器、声卡、网卡、打印机等。
   3. 存储器：
      1. 分为主存（内存）和辅存（外存）。
      2. 主存按存储单元的地址进行存取，称为按地址存取方式。存储体包括许多存储单元，一个存储单元包括许多存储元件，一个存储元件存储一个1或0。
      3. MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储器数据寄存器）也是存储器的一部分，但是在现代CPU中是存在于CPU中的。MAR用于寻址，其位数反映存储单元的个数，长度与PC的长度相等。MDR的位数和存储字长相等，一般是字节的二次幂的整数倍。
      4. 存储字：存储单元中二进制代码的组合。
      5. 存储字长：存储单元中二进制代码的位数。
      6. 
   4. 运算器：计算机的执行部件，完成算术运算和逻辑运算。核心是算数逻辑单元（ALU）。运算器中的寄存器：累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、程序状态寄存器（PSW）（前四个必有）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）。
   5. 控制器：
      1. 由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）组成。
      2. PC存放当前欲执行指令的地址，可以自动加1，与MAR之间有一条直接通路。
      3. IR存放当前欲执行指令，内容来自MDR。指令中的操作码OP(IR)送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列；地址码Ad(ID)送往MAR，用以取操作数
      4. 
      5. 例：取数指令：
      6. 例：存数指令：
   6. 现代计算机硬件框图：运算器和控制器集成到一起，成为CPU，CPU和主存共同构成主机，除主机外的其他硬件统称为外部设备（主要包括外存和I/O设备）。

1.2.3 计算机软件的分类

1. 系统软件（操作系统、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件、标准程序库、服务程序（诊断程序、调试程序、连接程序）等）和应用软件
2. 机器语言 汇编语言 高级语言

1.2.5 计算机系统的多级层次结构

 

透明性：本来存在的事物或属性，从某个角度去看，却好像不存在。IR、MDR、MAR对各类程序员都是透明的。

1.3 计算机的性能指标

1.3.1 计算机的主要性能指标

1. 机器字长：计算机进行一次能处理的二进制数据的位数，由寄存器、加法器的位数决定，一般等于内部寄存器的位数。
2. 总线宽度：数据总线一次能并行传送的信息的位数，一般指运算器与存储器之间的数据总线的位数。有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致。
3. 主存容量：主存储器所能存储信息的最大容量。MAR的位数反映可寻址范围的最大值（而不一定是存储器的实际存储容量）。
4. 存储带宽：指单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）。（影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率）。
5. 运算速度：
   1. 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，主要取决于主存的存取周期。
   2. 响应时间：用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求作出响应并获得所需结果的等待时间。通常包括CPU执行时间与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）。
   3. CPU时钟周期：通常称为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期，相当于Time Per Clock cycle。
   4. 主频（CPU时钟频率）：相当于Clock cycle Per Time。
   5. CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数。
   6. IPC
   7. CPU执行时间：运行一个程序所花费的时间。CPU执行时间=时钟周期数/主频=(指令条数×CPI)/主频。
   8. MIPS：每秒执行百万条指令数。MIPS=指令条数/(执行时间×10^6)=主频/(CPI×10^6)。
   9. MFLOPS：每秒执行百万次浮点运算数。
   10. GFLOPS：十亿次。
   11. TFLOPS：万亿次。