第一章 计算机系统概论
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计算机组成原理

2735 字
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11 分钟

计算机系统概论

计算机的分类

总体上可以分为两类

  1. 电子模拟计算机
  • 数值是由连续量来表示，运算过程也是连续的
  • 精度较小，存储容量小
  1. 电子数字计算机
  • 在算盘的基础上发展起来，使用数字表示数量的大小。
  • 主要特点：按位计算，并且不连续。

习惯上所说的电子计算机就是电子数字计算机。

电子数字计算机即“电脑”，又可进一步分为两类：

  1. 专用计算机
    • 最有效率 最快速 最经济,但是适应性差
    • 例如: Embedded(嵌入式) IoT(物联网) 等等
  2. 通用计算机
    • 适应性强 但是效率 速度 经济性都有所牺牲
    • 又可分为六类:
      • 超级计算机(巨型机) 应用于航天、勘探、气象、金融等领域
      • 大型机 商业领域,如 : 银行 电信 网络服务器 等等
      • 服务器(中型机)
      • 微型机(PC机) 普及率最高
      • 单片机
      • 多核机

计算机发展简史

五代计算机

  • 第一代 1946—1957年 电子管计算机(Vacuum Tubes) 数据处理
    • 冯诺依曼计算机(von Neumann Machine)
  • 第二代 1958—1964年 晶体管计算机(Transistor) 工业控制
  • 第三代 1965—1971年 LSI (Large-scale Integrated Circuit) 中小规模集成电路计算机 小型计算机开始出现。
    • 8080, 8Bit
  • 第四代 1972—1990年 VLSI (Very-Large-scale Integration) 大规模和超大规模集成电路计算机 微型计算机开始出现。
    • IBM PC , Apple Lisa , Alpha DEC 64Bit
  • 第五代 1991年开始 ULSI (Ultra-Large-scale Integration) 巨大规模集成电路计算机、单片机出现。
    • Low-Power and Invisible

摩尔定律：芯片上的晶体管数量，每18个月翻一番

计算机性能指标

  • 吞吐量 : 表示一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。
    • 常用单位 : 字节/秒 ($ B/s $)
  • 响应时间 : 表示从输入有效到系统产生响应之间的时间度量。
    • 常用单位 : 微秒 $ \mu s $ $ 10^{-6}s $ 、 纳秒 $ ns $ $ 10^{-9}s $
  • 利用率 : 在给时间间隔内系统被实际使用的时间所站的比率，用百分比表示。
  • 处理机字长 : 处理机运算器一次能够完成的二进制数运算的位数
    • 如 32 位机、64 位机。
  • 总线宽度 : 一般指CPU中运算器和存储器之间进行互连的内部总线二进制位数
  • 存储器容量 : 存储器中存储单元的总数目，通常用于比较大小。
    • 常用单位 : $KB( 10^{10} )$、$MB( 10^{20} )$、$GB( 10^{30} )$、$TB( 10^{40} )$。B表示字节。
  • 存储器带宽 : 单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，通常用于比较速度。
    • 常用单位 : 字节/秒($ B/s $)
  • 主频/时钟周期 : CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟会产生固定频率的时钟。
    • CPU主频 : 主时钟的频率 $ f $
    • CPU时钟周期 : 主频的倒数，$ T= \frac{1}{f}$ 度量单位为 $ \mu s $、$ ns $
  • CPU执行时间 : 表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间
    • 计算公式 : $$ CPU执行时间 = CPU时钟周期数 \times CPU时钟周期 =I_N \cdot CPI \cdot T $$ $$ 其中 I_N 为指令总数 $$
  • CPI : 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需要的平均周期数。
    • 计算公式 : $$ CPI = 执行某段程序所需的CPU时钟周期数 \div 程序包含的指令条数 $$ $$ CPI = \frac{时钟周期数}{I_N} = \frac {\sum_{i=1}^n CPI_i \cdot I_i}{I_N} = \sum_{i=1}^n CPI_i \cdot \frac {I_i}{I_N} $$
  • MIPS (Million Instructions Per Secopnd) : 表示每秒执行多少百万顶点指令数。
    • 计算公式 : $$ MIPS = 指令数 \div(程序执行时间 \times 10^6) = \frac{I_N}{I_N \cdot CPI \cdot \frac{1}{f} \cdot 10^6}=\frac{f}{CPI \cdot 10^6} $$ $$ 其中 \frac {1}{f} 为 CPU 周期 $$
  • FLOPS (Floating-point Operations Per Second) : 表示每秒执行浮点操作的次数,用来衡量机器浮点操作的性能.
    • 计算公式 : $$ FLOPS = 程序中的浮点操作次数 \div 程序执行时间(s) $$

计算机硬件

电子计算机包含以下几部分：

  • 运算器
    • 进行算术运算和逻辑运算，通常称为 ALU；
    • ALU, 即算术逻辑运算单元。
  • 存储器
    • 存储器存储数据和程序。
    • 数据在存储器中以 0 1 的形式存储；
    • 存储器由若干存储单元组成，存储单元的总数称为存储容量；
    • 每个存储单元的编号称为 地址，通常是按照字节编址；
    • 存储器分为内部存储器和外部存储器，通常外部存储器容量较大。
  • 控制器
    • 按照一定顺序读取指令，进行指令译码，并按照指令要求进行相应操作；
      • 每一个基本操作（加减乘除）就是一条指令，一串指令序列构成了计算程序；
      • 指令通常分为操作码和地址码；
      • 将程序（指令序列）存储到存储器中称为存储程序，控制器依据存储程序协调计算任务称为程序控制；
        • 冯·诺依曼结构：指令和数据存放在同一个存储器中；(使用统一编址)
        • 哈佛结构：指令和数据放在不同的存储器中。(使用独立编址)
      • 计算机的若干基本指令，构成了计算机的指令系统。
    • 取指令的时间称为取指周期，执行指令的时间称为执行周期；
    • 一个字的二进制位数称为字长，一个字包含一个及以上的字节；
    • 某字代表要处理的数据，称为数据字，如果为一条指令，称为指令字
    • 在取指周期读出的信息为指令流，流向控制器；
    • 在执行周期读出的信息为数据流，流向运算器。
  • I/O设备(输入输出设备)
    • 输入输出设备通常为外围设备；
    • I/O设备通过适配器与主机相连。
  • 总线
    • 系统总线是构成计算机的骨架，用于各部件之间传输数据。

在计算机中运算器和控制器合称为中央处理器(CPU)。

冯•诺依曼型计算机的工作原理: 存储程序并按地址顺序执行

计算机软件

组成与分类

  • 系统软件
    • 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等
    • 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等
    • 操作系统
    • 数据库管理系统
  • 应用软件
    • 用户利用计算机解决问题编制的程序

发展演变

编程语言的发展：

  • 手编程序 机器语言 二进制
  • 汇编程序 符号语言 汇编程序
  • 高级程序 算法语言/高级语言 机器编译/解释程序

系统软件发展：

  • 操作系统
  • 数据库管理系统

算法语言需要通过多层转换从而使计算机能够“理解”其含义：

  • 源程序: 使用算法语言编写的程序
  • 编译程序: 使用机器语言编写, 将源程序翻译为目的程序(机器代码);
  • 运行系统: 目的程序不能独立运行, 需要运行系统进行辅助
  • 编译器: 编译程序和运行系统的统称
  • 链接器: 将多个模块与库程序组合在一起进行解析
  • 加载器: 将机器代码放在合适的内存位置便于处理器处理

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计算机系统的层次结构

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五级计算机结构：

  1. 微程序设计级（逻辑电路级） 实在的硬件级
  2. 一般机器级（机器语言级）也是硬件级
  3. 操作系统级 混合级
  4. 汇编语言级 如果不采用汇编语言这一级别可以取消
  5. 高级语言级

多层结构的优点：

  1. 高级层上编程更简单；
  2. 具有兼容性，向上兼容，旧程序可以运行在新机器上；
  3. 硬件变化不影响高层；
  4. 硬件电路更简单。

多层机器的变革：

  • 微程序的发明
  • 操作系统的发明
  • CISC 和 RISC

其他层次结构

<!– 其他结构层次补图 –>

  • Level 5 -> Problem-oriented language level
    • Translation : Compiler
  • Level 4 -> Assembly language level
    • Translation : Assembler
  • Level 3 -> Operating system machine level
    • Partial interpretation : Operating system
  • Level 2 -> Instruction set architecture level
    • Interpretation(microprogram) or direct execution
  • Level 1 -> Microarchitecture level
    • Hard ware
  • Level 0 -> Digital logic level

软件与硬件逻辑等价性

随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。

  • 固件：功能上是软件，形态上是硬件。
    • BIOS (Basic Input Output System) 基本输入输出系统
    • 一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序

Summary

  1. 计算机的分类（电子数字计算机、电子模拟计算机）
  2. 计算机发展简史（发展史，性能指标）
  3. 计算机的硬件（运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备）
  4. 计算机的软件（系统软件和应用软件）
  5. 计算机系统的层次结构（五级）
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Source: github.com/k4yt3x/flowerhd
	

	

		
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