第一章《计算机系统概论》

计算机系统简介

计算机的软硬件概念

• 计算机由硬件和软件两大部分组成
• 硬件：计算机的实体，如主机，外部设备
• 软件：由具有各类特殊功能的信息（程序）组成

计算机系统的层次结构

计算机组成和计算机体系结构

• 计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、 I/O机理）
  
• 计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）

计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机的特点

• 计算机由运算器，存储器，控制器，输入设备和输出设备五大部件组成
• 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访
• 指令和数据均用二进制数表示（二进制码）
• 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
• 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
• 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器完成

计算机的硬件框图

• 冯·诺依曼计算机（以运算器为中心）
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•  虚线表示控制和状态反馈，实线表示数据通路
  运算器为中心，成为计算机发展的瓶颈，因为运算器过于繁忙

• 现代计算机（以存储器为中心）
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各部件功能如下 

• 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内
• 存储器用来存放数据和程序
• 控制器用来控制，指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果
• 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘，鼠标等
• 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等
• 运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，因此这两大部件集成在同一芯片上，统称中央处理器（CPU）
• 输入与输出设备简称：I/O设备
• 现代计算机可认为由三大部分组成：CPU,I/O设备，主存储器（MM）
• CPU与主存储器又可合称主机，I/O设备又可称为外部设备
• 主存是存储子系统中的一类，用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息。另一类称为辅助存储器，简称辅存，又称外存
• 算术逻辑单元（ALU）简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算
• 控制单元（CU）用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令
• ALU和CU是CPU的核心部件
• I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入，输出操作

计算机的工作步骤

计算机的工作过程

 

 

描述：首先PC存放执行的指令的地址，将PC中的值送到MAR中，取指令，存储体将对应地址放入MDR中，MDR将取出的数据放入IR中，IR将指令放入控制单元CU中，CU输出指令到CPU中，控制单元根据指令的结构，来判断是否需要取出指令中的操作数，如果要就将IR中的操作数部分传入MAR，取操作数MDR将操作数放入ACC中，控制单元在更具指令进行对应的运算。这里主要的操作是读取内存的操作

 

描述：首先PC存放执行的指令的地址，将PC中的值送到MAR中，取指令，存储体将对应地址放入MDR中，MDR将取出的数据放入IR中，IR将指令放入控制单元CU中，CU输出指令到CPU中，控制单元根据指令的结构，来判断是否需要将数据写入内存中，如果需要，将IR中的操作数部分传入MAR中，再将ACC中的数据传入MDR中，再写入存储体中
计算机硬件的主要技术指标

机器字长

• CPU一次能处理数据的位数，

 存储容量

• 存储容量=存储单元个数×存储字长
• MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长
• 例如MAR为16位，2¹⁶为：65536，表示该存储体有65536个存储单元（64K,1K=1024=2¹⁰）
• MDR为32位，表示存储容量为2¹⁶×32=2M(1M=2²⁰)
  
• 辅存容量通常用字节数表示，例如，容量为80GB(1G=1024M=2¹⁰×2²⁰=2³⁰)

运算速度

 

T_M为机器运行速度,f_i为第i种指令占全部操作的百分比数，t_i为第i种指令的执行时间