第一章 计算机系统概述

分类与发展方向

计算机的分类

按照用途分类

• 电子模拟计算机;
• 电子数字计算机;
• 通用计算机;
• 专用计算机;

按照指令流和数据流分类

• 单指令流单数据流 SISD：冯诺依曼体系结构;
• 单指令流多数据流 SIMD：阵列处理器、向量处理器;
• 多指令流单数流 MISD：实际上不存在;
• 多指令流多数据流 MIMD：多处理器、多计算机;

按照驱动方式分类

• 控制流驱动：即指令控制数据的存取（冯诺依曼结构）^{(冯诺依曼架构是控制流驱动)}
• 数据流驱动：先将需要的数据准备齐全，然后指令运行；

微型计算机的发展以微处理器技术为标志。

计算机的结构

• 软件系统和硬件系统共同构成了完整的计算机系统；
• 某一功能，既可以使用软件实现，又可以使用硬件实现，则称在软硬件在逻辑上是等效的；使用硬件解决效率更高；

计算机的组织架构

冯诺依曼架构

1. 冯诺依曼架构最重要的意义在于提出了存储程序的基本思想；

2. 由五部分组成

   运算器	控制器	存储器	输入设备	输出设备

3. 指令与数据等地位存储，形式上没有区别，按址寻访；

4. 指令与数据均由二进制代码表示；指令由操作码与地址码组成；

• 指令顺序存放执行，特殊条件下可以改变执行顺序
• 早期的冯诺依曼机以运算器为核心；现代计算机组织结构中以存储器为核心
• 存储程序的基本思想：将程序和原始数据编写好以后放入主存才能够执行；一旦程序启动执行，就无需操作人员干预，计算机自动执行，直到程序执行结束；
• MAR 与 MDR 应是存储器功能的一部分，但是现在计算机将其放到了 CPU 中；

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计算机的多层次结构

• 下层是上层的基础，上层是下层的扩展；
• 软件与硬件没有明确的分界线，软件和硬件在逻辑上是等效的。

计算机的硬件组成

存储器

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• MAR 和 MDR 逻辑上位于主存，实际上位于 CPU，依靠总线与主存进行通讯。
• 按字编址：每个地址指向一个完整的字长
• 按半字编址：每个字节指向半个字长

CPU

运算器

• ALU：算数逻辑单元，是运算器的核心；
• MQ：乘商寄存器 ACC：累加器；
• X：操作数寄存器；
• PSW：程序状态寄存器

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控制器

• PC：程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，可以自动加一形成下一条指令的地址，直接连接 MAR；
• IR：指令寄存器，存放当前准备执行的指令，内容来自 MDR；指令中的操作码 OP(IR)送至 CU，指令中的地址码 AD(IR)送往 MAR，取操作数；
• CU：控制单元。

CPU 区分数据和指令依靠指令周期的不同阶段

指令执行的数据流向

取指令阶段 (PC)→MAR M(MAR)→MDR (MDR)→IR

分析指令阶段 OP(IR)→CU

取数阶段 AD(IR)→MAR M(MAR)→MDR M(MDR)→ACC

计算机软件

三个级别的语言： 高级语言--> 汇编语言--> 机器语言

• 汇编程序（汇编器）：将汇编语言翻译成机器语言；
• 解释程序（解释器）：将源程序中的语句按照执行顺序逐句翻译成机器语言并立即执行；
• 编译程序（编译器）：将高级语言程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序；

从源程序到可执行文件的过程：

系统软件与应用软件

• 系统软件是保证系统高效、正确运行的基础软件，主要有操作系统 OS、数据库==管理==系统 DBMS、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序等；

计算机的性能指标

• 字长：计算机进行一次整数运算，所能够处理的二进制数据的位数；与 CPU 内部寄存器、加法器位数有关，字长一般等于内部寄存器的位宽；

• 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数

  • 数据通路：各个子系统通过数据总线连接形成的数据传输路径称为数据通路；
  • ==数据总线是指 CPU 外部数据总线==，与 CPU 内部寄存器位宽可能会不同；

• 主存容量：

• MAR 的位数反映了可寻址的最大范围，但不一定是实际存储容量^{（例如，64 位计算机，寻址空间很大，但是有的计算机接了 8G 内存，有的计算机接了 16G 内存）}；

• 运算速度：

  • 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响应并获得它所需要的结果的等待时间。

    • 通常包括 CPU 时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储 器访问、I/O 操作、操作系统开销等时间）。

  • 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量；

    它取决于信息能多快地输入内存，CPU 能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或 存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系 到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。

• 主频和时钟周期：主频越高，计算机运算速度越快；

• CPI：执行一条指令所需要的周期数；每条指令需要的周期数不同，因此指平均值；

• IPC：每个时钟周期运行多少条指令，是 CPI 的倒数；

• MIPS：每秒执行多少百万条指令数；该指标存在缺陷^{（指令集不同，其每条指令的功能也不同，复杂指令集的指令实现的功能更加复杂，消耗的时间也比精简指令集长，不能说明复杂指令集不如精简指令集）}；(从该指标可以猜测，指令执行以 us 为单位)

• MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS；

  • MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点数运算
  • GFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点数运算
  • TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点数运算
  • PFLOPS：每秒执行多少千万亿次浮点数运算
  • EFLOPS：每秒执行多少百亿亿次浮点数运算

• 基准程序：专门用来进行性能评价的一组程序；该指标存在缺陷^{（因为有可能指令集专门针对某种运算进行优化，导致性能表现很好；）}；

1. 描述存储容量时，K 表示 2¹⁰，M 表示 2²⁰，G 表示 2³⁰，T 表示 2⁴⁰；
2. 描述频率时，K 表示 10³，M 表示 10⁶，G 表示 10⁹，T 表示 10¹²；