计算机系统概论

1.1 计算机的软硬件

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计算机系统 --> 硬件 --> 计算机的实体部分:主机,外部设备等
计算机系统 --> 软件
软件 --> 系统软件
软件 --> 应用软件

1.2 计算机系统的层次结构

层次	机器	解释
虚拟机器M4	高级语言机器	用编译程序翻译成汇编语言程序
虚拟机器M3	汇编语言机器	用汇编程序翻译成机器语言程序
虚拟机器M2	操作系统机器	用机器语言解释操作系统
传统机器M1	机器语言机器	用微程序解释机器指令
微程序机器M0	微指令系统	由硬件直接执行微指令

1.3 计算机组成和计算机体系结构

概念	区分
计算机体系结构(Architecture)	计算机系统的属性
计算机组成(Organization)	如何实现属性

1.4 计算机基本组成

冯·诺依曼计算机

• 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表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 指令在存储器内按顺序存放
• 以运算器为中心

现代计算机

• 主机
  • CPU(中央处理器)
    • 运算器
      • ALU(算术逻辑单元)
      • ACC(累加器)
      • MQ(乘商计数器)
      • X(操作数寄存器)
    • 控制器
      • CU(控制单元)
      • IR(指令寄存器)
      • PC(程序计数器)—自动加1
  • 主存(MM)
    • 存储体M
      • 由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件（存储字，位数为存储字长）
    • MDR(存储器数据寄存器)
    • MAR(存储器地址寄存器)
    • 按地址访问存储器
    • 注：随着硬件技术的发展，主存都制成大规模集成电路的芯片，而将MAR和MDR集成在CPU芯片中
• I/O设备
• 注：整个工作步骤，参考课本；需记住运算器中各寄存器所存放的各类操作数

1.5 计算机硬件的主要技术指标

1. 机器字长
   • CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数相关
   • 字长越长，数的表示范围越大，精度也越高
2. 总线宽度
   • 数据总线一次能并行传输的最大二进制位数
3. 存储容量和存储带宽
   • 存储容量：指一台计算机的主存/辅存所能存储的二进制信息的数量
     • 主存：= 存储单元个数 x 存储字长 = $2^m*n$
     • 辅存：例：500GB（字节数）
   • 存储带宽：单位时间内CPU与主存/辅存交换的二进制信息量（bps）
     • 影响因素：数据位宽和数据传输速率
4. 运算速度
   • 影响因素：主频……
   • 计算方法：吉普森法
   • 衡量单位：MIPS(百万条指令每秒)、CPI(执行一条指令的时钟周期)、FLOPS(浮点运算次数每秒)

1.6 计算机的发展与应用

计算机的产生和发展

代	硬件技术
一	电子管
二	晶体管
三	中小规模集成电路
四	大规模集成电路
五	超大规模集成电路

• 摩尔定律：微芯片上集成的晶体管数目每3年翻两番

展望

• 光计算机
• DNA生物计算机
• 量子计算机