计组学习笔记之计算机系统概述

1 什么是计算机系统

• 软件

  • 系统软件：用来管理整个计算机系统
    • 操作系统、数据库管理系统、标准程序库、网络软件...
  • 应用软件：按照任务所需编写的各种程序
    • 微信、QQ、微博、B站...
  • 发展：机器（汇编）语言、Fortran、Pascal、C、C++、Java、php...

• 硬件

发展阶段	时间	逻辑元件	速度（次/秒）	内存	外存
一代	1946—7957	电子管	几千—几万	汞延迟线、磁鼓	穿孔卡片、纸带
二代	1958—1964	晶体管	几万—几十万	磁芯存储器	磁带
三代	1964—1971	中小规模集成电路	几十万—几百万	半导体存储器	磁带、磁盘
四代	1972—至今	大规模、超大规模集成电路	上千万—万亿	半导体存储器	磁带、磁盘、光盘、半导体存储器

2 冯诺依曼机

• 早期冯诺依曼机结构

• 冯诺依曼计算机的特点
  • 计算机由五大部件组成：输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器
  • 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
  • 指令和数据都用二进制表示
  • 指令由操作码和地址码组成
  • 可以存储程序
  • 以运算器为中心（现代计算机都以存储器为中心）
• 现代计算机结构

3 各个硬件部件

3.1 硬件组成

3.2 主存储器

• 主存储器的构成

  

• 构成

  • 存储体：数据在存储体内按照地址存储

    

  • MAR（Memory Address Register）：存储地址寄存器，其位数反映存储单元的个数（例如 MAR = n 位，则总共有 $2^n$ 个存储单元）

  • MDR（Memory Data Register）：存储数据寄存器，其位数反应每个存储字长（例如 MDR = 16位，则每个存储单元可以存放 16bit）

• 有关概念

  • 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
  • 存储字：存储单元中二进制代码的组合
  • 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
  • 存储元：存储二进制的电子元件，每个存储单元可以存储 1bit

3.3 运算器

• 运算器的构成

  

• 构成

  • ACC（Accumulator）：累加器，用于存放操作数、运算结果
  • MQ（Multiple-quotient Register）：乘商寄存器，在乘、除运算时，存放操作数、运算结果
  • X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数
  • ALU（Arithmetic and Logic Unit）：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算术运算、逻辑运算，是运算器的核心

3.4 控制器

• 控制器的构成

  

• 构成：

  • CU（Control Unid）：控制单元，分析指令，给出控制信号，控制器的核心
  • IR（Instruction Register）：指令寄存器，存放当前执行的指令
  • PC（Program Counter）：程序计数器，存放下一条指令的地址，有自动加一功能

4 计算机系统层次结构

5 计算机的性能指标

5.1 存储器的性能指标

• n 个二进制位可以表示 $2^n$ 种不同的状态
• $2^{10}:K \ \ \ \ \ 2^{20}:M \ \ \ \ \ 2^{30}:G \ \ \ \ \ 2^{40}:T$
• MAR：存储地址寄存器，其位数反映存储单元的个数
• MDR：存储数据寄存器，其位数反应每个存储字长

5.2 CPU 的性能指标

• CPU 主频：CPU内数字脉冲信号震荡的频率
• CPU 时钟周期：脉冲信号中相邻两个波峰（波谷）所经历的时间（单位为微秒、纳秒）
• CPU 主频（时钟频率）= 1 / CPU 时钟周期 （单位：Hz）
• CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需要的时钟周期数（不同的指令下 CPI 不同，甚至同一指令下，CPI 也可能不同）
• 执行一条指令的耗时 = CPI * CPU 时钟周期数
• CPU 执行时间（整个程序耗时）= CPU 时钟周期数 / 主频 = （指令条数 * CPI）/ 主频
• IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令
  • KIPS：每秒执行几千条条指令
  • MIPS：每秒执行几百万条指令
• IPS = 主频 / 平均 CPI
• FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算
  • KFLPOS：每秒执行几千次浮点运算（K = 千 = $10^3$ ）
  • MFLOPS：每秒执行几百万次浮点运算（M = 百万 = $10^6$ ）
  • GFLOPS：每秒执行几十亿次浮点运算（G = 十亿 = $10^9$ ）
  • TFLOPS：每秒执行几万亿次浮点运算（T = 万亿 = $10^{12}$ ）

5.3 系统整体性能指标

• 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传输的二进制信息位数
• 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
• 响应时间：从用户向计算机发送一个请求开始，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间

6 本章总结

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