计组--计算机系统概述

计算机系统概述

思维导图：

计算机系统的组成

硬件系统

• 指有形的物理设备

软件系统

• 指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档

计算机硬件

冯诺依曼机基本思想

• 采用“存储程序”的工作方式

• 硬件系统的5大部件

  • 运算器
  • 存储器
  • 控制器
  • 输入设备
  • 输出设备

• 指令和数据以同等地位存储在存储器中

• 指令和数据均用二进制代码表示

冯诺依曼模型

计算机的功能部件

• 输入设备

• 输出设备

• 存储器

  • 主存储器（内存储器）

    • CPU能够直接访问

    • 工作方式：按存储单元的地址进行存取

    • 基本组成

      • 地址寄存器（MAR）

        • 存放访存地址

        • 用于寻址

          • 其位数对应着存储单元的个数

        • MAR的长度与PC的长度相等

      • 存储体

        • 存放二进制信息

        • 由许多存储单元组成

          • 每个存储单元包含若干存储元件

            • 每个存储单元存储1位二进制代码0或1

      • 数据寄存器（MDR）

        • 用于暂存要从存储器中读或写的信息
        • 位数和存储字长相等

      • 时序逻辑控制

        • 用于产生存储器操作所需的各种时序信号

      • 注：MAR和MDR在现代计算机中是存在于CPU中的，高速缓存（Cache）也存在于CPU中

  • 辅助存储器（外存储器）

    • 帮助主存储器记忆更多的信息

• 运算器

  • 计算机的执行部件

    • 算术运算
    • 逻辑运算

  • 核心：算术逻辑单元（ALU）

  • 包含若干通用寄存器

    • 累加器（ACC）
    • 乘商寄存器（MQ）
    • 操作数寄存器（X）
    • 变指寄存器（IX）
    • 基址寄存器（BR）

  • 程序状态字寄存器（PSW）

    • 用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息

      如结果是否溢出、有无产生进位或借位、结果是否为负等。

• 控制器

  • 计算机的“指挥中心”

  • 组成

    • 程序计数器（PC）

      • 存放当前与执行指令的地址

    • 指令寄存器（IR）

      • 存放当前的指令，内容来自主存的MDR

    • 控制单元（CU）

计算机软件与语言

系统软件

• 操作系统OS、数据库管理系统DBMS、语言处理程序等

应用软件

• 如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序等

三个级别的语言

• 1.机器语言 2.汇编语言 3.高级语言

• 翻译程序

  • 1.汇编程序（汇编器）
  • 2.解释程序（解释器）
  • 3.编译程序（编译器）

计算机系统的层次结构

第1级：微程序机器层

第2级：传统机器语言层

第3级：操作系统层

第4级：汇编语言层

计算机系统的工作原理

指令执行过程的描述

• 1.取指令：PC->MAR->M->MDR->IR
• 2.分析指令：OP(IR)->CU
• 3.执行指令：Ad(IR)->MAR->M->ACC

计算机系统的性能指标

1.字长

• 字长是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数

2.数据通路带宽

• 指数据总线一次所能并行传送信息的位数

3.主存容量

• 指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，MAR的位数反应存储单元的个数。

4.运算速度

• 吞吐量和响应时间

  • 吞吐量

    • 指系统在单位时间内处理请求的数量

  • 响应时间

    • 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出相应并会的所需要结果的等待时间

• 主频和CPU时钟周期

• CPI，即执行一条指令所需的时钟周期数

• CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间

• MIPS，即每秒执行多少百万条指令

• MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、EFLOPS和ZFLOPS

5.基准程序

• 是专门用来进行性能评价的一组程序，能够很好的反应机器在运行实际负载时的性能。