第一章：計算機系統概論

1.1計算機系統簡介

一、計算機的軟硬件概念

計算機系統由“硬件”和“軟件"兩大部分組成。

硬件：指計算機的實體部分， 它由各種電子元器件和各類光、電、機設備的實物組成。

軟件：指由人類事先編制的具有各類特殊功能的程序組成。

分類：

• 系統軟件：又稱為系統程序，主要用來管理整個計算機系統，監視服務，使系統資源得到合理調度，高效運行。
  • 語言處理程序
  • 操作系統
  • 服務性程序
  • 數據庫管理系統
  • 網絡軟件
• 應用軟件：又稱應用程序，是根據任務需要所編制的各種程序。

計算機性能的好壞取決于軟件和硬件功能的總和。

二、計算機系統的層次結構

目前，按照程序員應用可將計算機系統分為以下層次結構：

• 實際機器隨著開發語言的不斷發展“向上”發展出M2、M3、M4層；此外，向底層發展產生了能夠被硬件直接執行的的微指令系統層；
• 微指令機器M0將在每一個時間點上能夠執行的操作放到微指令中；而執行間有先后順序的操作，只需要將它們放在不同的微指令中，通過微指令執行的先后順序來實現操作間的先后順序；
• 圖示界面粗略將計算機系統劃分為軟件層（上層）與硬件層（底層）；界面為開發人員提供了計算機硬件與軟件間交互的接口；

三、計算機體系結構與計算機組成

計算機體系結構：指程序員所見到的計算機系統的屬性，即概念性的結構與功能特性。（機器語言程序員想要編寫出能夠在計算機硬件系統上正確執行的程序，他所必須了解的屬性）

• 定義了計算機軟、硬件的交界面；
• 定義了哪些功能由軟件實現，哪些功能由硬件實現；
• 提供了上層軟件在編寫時，與硬件進行交互的接口；

計算機組成：指實現計算機體系結構所體現的屬性。（指從邏輯上實現計算機體系結構層定義的功能）

如果兩臺機器指令系統相同時，只能認為它們具有相同的結構；而兩臺機器如何實現其指令的功能，完全可以不同，則認為它們的組成方式是不同的。

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1.2計算機的基本組成

EDVAC：世界上第一臺計算機

匈牙利科學家馮諾依曼1945年提出”存儲程序“的概念，其被稱為現代計算機之父

以”存儲程序“概念為基礎設計的各類計算機統稱為馮諾依曼機。

一、馮.諾依曼計算機的特點

計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。

指令和數據以同等地位存放于存儲器內，并可按地址尋址。

指令和數據均用二進制數表示。

指令由操作碼和地址碼組成。

• 操作碼：用來表示操作的性質；
• 地址碼：用來表示操作數（參與運算的數）在存儲器中的位置

存儲程序（指令在存儲器內按順序存放。通常，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序）

以運算器為中心。（輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送通過運算器完成）

二、計算機的硬件框圖

馮諾依曼機結構框圖

• 運算器用來完成算數和邏輯運算，并將運算的中間結果暫存在運算器內；
• 控制器用來控制指揮程序和數據的輸入，運行以及處理運算結果；
• 存儲器用來存放數據和程序；
• 輸入設備用來將人們熟悉的信息形式轉換為機器能識別的信息形式；
• 輸出設備將機器運算結果轉換為人們熟悉的形式；

基于馮諾依曼機的改進：

以存儲器為中心的計算機硬件框圖

現代計算機硬件框圖

三、計算機的工作步驟

用計算機解決問題分兩步：

上機前準備

• 建立數學模型
• 確定計算方法
• 編制解題程序（將運算步驟用一一對應的機器指令描述）

上機運行

相關概念：

程序：適合于機器運算的全部步驟。

操作碼：表示機器執行的各種操作（指令）。

地址碼：表示參見運算的數在存儲器中的位置。

機器指令的操作碼和地址碼都采用0、1代碼的組合來表示。

• 主存儲器：又稱主存或內存，包括存儲體，各種邏輯部件以及控制電路等；

  • 存儲體由許多存儲單元組成，每個存儲單元中包含若干個**存儲元件（存儲基元、存儲元），每個存儲元件可以存儲以為二進制代碼“0”或“1”。

  • 存儲字：一個存儲單元中存儲一串二進制代碼；稱這串二進制代碼的位數為存儲字長.

  • 按地址訪問存儲器（訪存）：即按地址存取方式，指主存按存儲單元的地址號來實現對存儲字各位的存、取的工作方式。

• 寄存器：

  • MAR（Memory Address Register) 是存儲器地址寄存器，用來存放欲訪問的存儲單元的地址，其位數對應存儲單元的個數。

  • dACC（Accumulator）:累加器

  • MQ（Multiplier-Quotient Register）：乘商寄存器

  • X：操作數寄存器

• 控制器：

  • 工作步驟（完成一條指令的信息流程）
  • 取指階段： 從命令存儲器讀出一條指令；
  • 分析階段： 對取出的指令進行分析，指出指令要完成什么樣的操作，并按尋址特征指明操作數的地址；
  • 執行指令： 根據操作數所在的地址以及指令的操作碼完成對應操作。
  • 控制器由 程序計數器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR） 和 控制單元（CU） 組成。
    • PC用來存放當前欲執行指令的地址，它與主存的MAR之間有一條直接通路，并且具有自動加1的功能，即可自動形成下一條指令的地址。
    • IR用來存放當前的指令，IR內容來自MDR；IR中的操作數送至CU，用于分析指令，地址碼送至MAR。
    • CU用于分析當前指令所需完成的操作，并發出各種微操作指令序列，同于控制所有被控對象。

• I/O子系統包括各種I/O設備及其相應的接口。每一種I/O設備都由I/O接口與主機聯系，它接收CU發出的各種控制命令，并完成相應的操作。

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1.3計算機硬件的主要技術指標

機器字長：指CPU一次能處理數據的位數； 通常與CPU中寄存器位數有關（模型機中相等），一般為8位。

? 字長越長，數的表示范圍越大，精度越高；

運算速度：

• 吉普森法：綜合考慮每條指令的執行時間以及它們在全部操作中所占的百分比

  Tm為計算機運行速度；fi為第i次指令占全部操作的百分比數；ti指第i種指令的執行時間。

• 單位：

  • CPI：執行一條指令所需要的時鐘周期；（主頻倒數）

  • MIPS（百萬條指令每秒）： 單位時間內執行指令的平均條數

  • FLOPS（浮點運算次數每秒）

存儲容量：存放二進制信息的總位數

存儲器的容量包括主存容量和輔存容量。

• 主存容量：指主存中存放二進制代碼的總位數

  • 存儲容量 = 存儲單元個數 * 存儲字長

  • 現代計算機中常以字節數描述容量的大小

• 輔存容量：指輔存中存放二進制代碼的總位數

  通常用字節數表示。

存放二進制信息的總位數

存儲器的容量包括主存容量和輔存容量。

• 主存容量：指主存中存放二進制代碼的總位數

  • 存儲容量 = 存儲單元個數 * 存儲字長

  • 現代計算機中常以字節數描述容量的大小

• 輔存容量：指輔存中存放二進制代碼的總位數

  通常用字節數表示。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机系统概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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