计算机组成原理:1计算机系统概述-学习笔记

1.0 易错点

  • 编译程序和解释程序对比,解释程序方法简单但运行速度较慢
  • 软件与硬件再逻辑功能上等效,但不等价
  • 系列机的基本特性是指令系统向后兼容
  • 数据库系统不属于系统软件
  • 机器字长是 CPU 一次运算的位数,一般是8的整倍数
  • 存储字长等于 MDR 位数
  • 数据字长等于 数据总线一次能并行传输的位数
  • CPI 单位是周期数,和时间频率不直接相关
  • 兼容指 软件 硬件 兼容
  • 计算机体系结构和计算机组成的关系:前者抽象概念,后者为具体的实现方式

1.1 计算机发展历程

硬件的发展

  • 第一代计算机 1946-1957 电子管时代
  • 第二代计算机 1958-1964 晶体管时代
    • 出现Fortran
    • 操作系统雏形
  • 第三代计算机 1965-1971 中小规模集成电路
    • 分时操作系统
  • 第四代计算机 1972-今 超大规模集成电路

计算机分类

  • 电子模拟计算机
  • 电子数字计算机
    • 适用性
      • 专用计算机
      • 通用计算机
    • 指令和数据
      • SISD 传统冯诺伊曼体系结构
      • SIMD 阵列处理器和向量处理器系统
      • MISD 不存在
      • MIMD 多处理器和多计算系统

1.2 计算机系统层次结构

组成

  • 硬件系统和软件系统共同构成

早期冯诺伊曼机

  • 运算器位核心,并辅以存储器、控制器、输入输出设备,共五大部分
  • 二进制
  • 指令和程序共同存储,并且可以根据地址读写
  • 指令按顺序存放

现代计算机结构

  • 由于运算器发展迅速,存储器容量也增加迅速,现代结构基于早起冯诺伊曼机修改为以存储器为中心。

功能部件

  • MAR (Memory Address Register)
  • MDR (Memory Data Register)
  • PC (Program Counter)
  • IR (Instruction Register)
  • ACC (Accumulator)
  • MQ (Multiple-Quotient Register)
  • ALU (Arithmetic and Logical Unit)
  • CU (Control Unit)
  • GPRs (General-Purpose Registers)

软件分类

  • 系统软件(基础软件)
    • 操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序
  • 应用软件
    • 特殊需求软件
  • 注意数据库管理系统(DBMS)不是数据库系统(DBS),后者包含了前者,不仅仅是系统软件

语言

  • 语言级别
    • 机器语言、汇编语言、高级语言
  • 语言类型
    • 翻译语言:基本都是翻译语言
    • 解释程序:由程序代码至机器代码
    • 编译程序:由高级语言至低级语言
    • 汇编程序:又低级语言至机器代码

指令执行

  • 取指 PC -> MAR -> M ->MDR ->IR 并且 (PC)+1 -> PC
  • 译码 OP(IR) -> CU
  • 执行累加 Ad(IR) -> MAR -> M -> MDR -> ACC

1.3 计算机的性能指标

主要指标

  • 机器字长:一次运算处理的二进制位数
  • 数据通路带宽
  • 存储字长:存储单位
  • 指令字长:通常为存储字长的整数倍
  • 主存容量
  • 运算速度
    • 吞吐量
    • 响应时间
    • CPU 时钟周期
    • CPU 主频
      • 与时钟周期呈倒数关系
    • CPI (Clock cycle Per Instruction)
    • CPU 执行时间:一个程序所需要的时间
      • 指令条数 * CPI / 主频
  • MIPS (Million Instruction Per Second)
    • 主频 * CPI / 10^6
  • MFLOPS (Million Float-point Operation Per Second)
  • GFLOPS (Giga Float-point Operation Per Second)
  • TFLOPS (Tera Float-point Operation Per Second)

术语

  • 系列机:具有基本相同的体系结构,用几乎同一套指令系统的不同型号机器
  • 固件:将程序固定在 ROM (Read-Only Memory) 中组成的部件,固件性能指标介于软硬件之间

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