408 & 计算机组成原理 & 计算机系统概述

计算机系统

由硬件和软件组成

• 硬件

组成计算机的各种设备实体 是物质基础

• 软件

指各种程序和文件

计算机的基本功能

数据加工

数据保存

数据传送

操作控制

……

计算机硬件有哪些

五大功能部件

• 运算器(ALU)

进行加减乘除等算术运算，逻辑运算

计算机中采用二进制数

位数越多，计算精度越高

目前计算机位数一般为 8位、16位、32位、64位

• 控制器

计算机中发号施令的部件，他控制计算机的所有部件有条不絮地进行工作

控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作

步骤

取指令 –> 分析指令 –> 执行指令

保证指令按规定序列自动连续地执行

对各种异常情况和请求及时响应和处理

• 存储器

保存或记忆解题的程序(指令)和数据

在运算前把参加运算的数据和解题步骤通过输入输出设备送到存储器中保存起来

存储的是0或1表示的二进制代码

采用半导体器件作为存储器 一个半导体触发器可以记忆一位二进制代码

存储元

保存一个二进制位的触发器

存储单元

若干个存储元构成一个存储单元

地址

存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号称为地址

存储容量

存储器所有存储单元的总数 单位 KB、MB、GB、TB 存储容量越大 计算机记忆存储存的信息越多

外存储器

磁盘存储器、光盘存储器等

高速缓存，主存储器，虚拟存储器组成多级存储器系统，是计算机存储程序和数据的部件

存储器可存放二进制码形式的指令，称为代码区

存储器可存放二进制码形式的数据，称为数据区

一般将指令和数据分开存

• 输入设备

把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接受和识别的二进制信息形式

• 输出设备

把计算机处理的结果变换为人和其他机器所能接收和识别的信息形式

输入/输出设备称为外围设备，简称外设，不能直接与主机（运算器、控制器、内存）相连，通过适配器部件与主机相连

现在认为的五大组成部分

• cpu

运算器，控制器

• 存储器
• 输入设备
• 输出设备
• 总线

计算机怎么工作的

设备通过总线和接口连接在一起 构成一台完整的计算机

指令

计算程序

每一个基本操作就叫做一条指令，解算某一问题的一串指令序列叫做计算程序 简称程序

指令的形式

由两部分组成，操作码 + 地址码

• 操作码

不同的指令操作码不同，操作码唯一

指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等

• 地址码

参加运算的数据应从存储器的哪个单元取，运算的结果应存到哪个单元

存储程序

指令存放到存储器中

程序控制

控制器依靠存储的程序来控制全机协调地完成计算任务

冯.诺依曼设计思想

存储程序并按地址执行

冯.诺依曼思想的基本要点

• 采用二进制形式表示数据和指令
• 有输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成
• 采用存储程序方式（核心思想）
• 指令和数据以同等地位存于存储器、可按地址寻访，程序和数据统一存储
• 指令由操作码和地址码组成

指令周期

一条指令从存储器中取出开始到达执行结束的总时间

由取指周期和执行周期组成

• 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

计算机软件组成

目的程序

用计算机语言编写的程序，计算机可以完全识别并能执行的

汇编程序

约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令，再用特殊符号表示指令来编写程序

源程序

用算法语言编写的程序 识别需进行编译

计算机的性能指标

机器字长

处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数

字长越长 计算精度越高 与cpu中的寄存器位数有关

吞吐量

一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒(B/S)

响应时间

从输入有效到系统产生响应之间的时间度量例 微秒(10^-6 S)、纳秒(10^-9 S)

利用率

在给定时间间隔内 系统实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示

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 KB、MB、GB、TB

存储器容量越大 记忆的二进制数越多

存储器带宽

存储器的速度指标 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

主频

cpu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主频，度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）

1KHz = 10^3

1MHz = 10^6

时钟周期

主频的倒数称为cput的时钟周期（T），T=1/f，度量单位是微秒、纳秒

cpu执行时间

表示cpu执行一段程序所占用的cpu时间

cpu执行时间 = cpu时钟周期数 * cpu时钟周期长

CPI

表示每条指令周期数，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 / 该程序包含的指令条数

IPC

一个平均时钟周期所执行的指令数

MIPS

每秒百万条指令数

MIPS = 指令条数 / 程序执行时间 * 10^6

MIPS值越大 机器速度越快

MFLOPS

每秒百万次浮点操作数

MFLOPS = 程序中给的浮点操作次数 / 程序执行时间 * 10^6

只用来衡量机器浮点操作的性能，不能体现机器的整体性能

TFLOPS

表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用

你知道的越多 你不知道的越多 嘿 我是小博 带你一起看我目之所及的世界……