0x01 计算机系统概论

计算机的分类

• 电子模拟计算机：连续量，运算过程连续
• 电子数字计算机：不连续的离散数字，速度快，准确，存储量大
  • 专用计算机：有效、经济、快速，适应性差
  • 通用计算机：适应性强，但牺牲了效率、速度和经济性

通用计算机分类

计算机的发展简史

从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了五代的变化

• 电子管计算机：体积庞大，成本高，可靠性低，数据处理机开始得到应用
• 晶体管计算机：工业控制机开始得到应用
• 中小规模集成电路计算机：小型计算机开始出现
• 大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机开始出现
• 巨大规模集成电路计算机：单片计算机开始出现

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：指处理机运算器中一次能够被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
• 存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示
• 存储器带宽：单位时间内从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，主时钟的频率叫CPU的主频，时钟周期为主频的倒数
• CPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间
  CPU执行时间 = CPU时钟周期数 * CPU时钟周期
• CPI ： 执行一条指令所需的平均时钟周期数
  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 ：平均每秒执行多少百万定点指令数
  MIPS　＝　指令数　／（程序执行时间＊10^6）
  缺点：只适用于标量计算机，精度低
• FLOPS ：每秒执行浮点操作的次数
  MFLOPS = 程序中的浮点操作次数 / 程序执行时间（秒）
  同一操作在不同的机器上执行的指令可能不同，但执行的浮点运算是相同的。

计算机的硬件

• 运算器：主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算，除此之外，还可以进行逻辑运算
• 存储器：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤
  存储器与寄存器的异同：
  结构不同，存储器分为主存和辅存，寄存器在CPU之中，所有处理器都有寄存器，追求效率和速度
  为什么存储器没有名字，而寄存器有名字：
  起名就需要专门的电路去连接相应的器件，速度快，但由于储存器类型太多，每起一个名字就要有对应的专用线路去连接，成本过高
  存储器先从寄存器中取地址再访问
• 控制器：控制计算机的各部件有条不紊地进行工作
• 输入输出设备
• 适配器：相当于一个转换器，可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息

计算机的软件

凡是用于一台计算机的各种程序，统称为这台计算机的程序或软件系统

组成与分类

• 系统软件：管理各种独立工作的硬件，协调工作，简化程序设计，提高计算机的使用效率
  例如各种服务性程序，语言程序，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问题而编制的程序

软件的发展演变

• 机器语言
• 汇编语言
• 算法语言

计算机系统的层次结构