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Computer Composition Review Ch1 概论

Table of Contents

1.1 计算机分类

  • 总体分类
    • 电子模拟计算机
      • 数值由连续量来表示,运算过程也连续
    • 电子数字计算机
      • 按位运算
  • 通用计算机分类
    • 超级计算机
    • 大型机
    • 服务器
    • PC 机
    • 单片机
    • 多核机

1.2 计算机发展史

  • 摩尔定律
    • 芯片上的晶体管每 18 个月翻一倍。
  • 计算机性能指标
    • 吞吐量
      • 某一时间间隔内能够处理的信息量。
    • 响应时间
      • 从输入有效到系统产生响应之间的时间度量。
    • 利用率
      • 在给定时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率。
    • 处理机字长
      • 处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数,如32 位/64 位。
    • 总线宽度
      • CPU 中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
    • 存储器容量
      • 存储器中所有存储单元的总数目,单位:KB、MB、GB、TB。
    • 存储器带宽
      • 单元时间内从存储器读出的二进制数信息量,单位:字节数/秒。
    • 主频/时钟周期
      • CPU 的主频 ff:主时钟的频率,单位:MHz(兆赫兹)、GHz(吉赫兹)。
      • CPU 时钟周期 T=1fT=\frac{1}{f}:主频倒数,单位:μs\mu snsns
    • CPU 执行时间
      • CPU 执行一般程序所占用 CPU 时间
      • CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期CPU 执行时间=CPU 时钟周期数 \times CPU 时钟周期
    • CPI
      • 每条指令周期数 (执行一条指令所需的平均时钟周期数)
      • CPI=执行所需CPU时钟周期程序包含的指令条数CPI=\frac{执行所需CPU时钟周期}{程序包含的指令条数}
    • MIPS(Million Instructions Per Second)
      • 平均每秒执行多少百万条定点指令数
      • MIPS=指令数程序执行时间×106MIPS = \frac{指令数}{程序执行时间 \times 10^{6}}
    • FLOPS (Floating-point Operations Per Second)
      • 每秒执行浮点操作的次数
      • FLOPS=浮点操作次数程序执行时间FLOPS = \frac{浮点操作次数}{程序执行时间}
    • EG:P5 例 1.1、例 1.2

1.3 计算机的硬件

  • 运算器
    • 二进制数计算
  • 存储器
    • 存储记忆运算数据/解题步骤。
    • 存储单元
      • 保存一个数的 16 个触发器
    • 地址
      • 每个存储单元的编号
    • 存储容量
      • 所有存储单元的总数
    • 存储器分类
      • 外存储器
        • 磁盘存储器
        • 光盘存储器
      • 内存储器
        • 半导体存储器
  • 控制器
    • 从内存中取出解题步骤加以分析,执行某种操作。
    • 指令
      • 一个基本操作。
      • 形式
        • |操作码|地址码|
    • 计算程序
      • 解算某一问题的一串指令序列。
    • 存储程序
      • 将解题程序存放到存储器中。
    • 程序控制
      • 控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务。
    • 指令系统
      • 几十种基本指令构成系统。
    • 结构分类
      • 冯诺依曼结构
        • 指令和数据放在同一个存储器。
      • 哈佛结构
        • 指令和数据放在两个存储器。
    • 基本任务
      • 控制指令按一定顺序一条接一条地运行。
    • 取指周期
      • 取指令的一段时间。
    • 执行周期
      • 执行指令的一段时间。
    • 处理器 CPU
      • 运算器和控制器通常被组合在一个集成电路芯片。
    • 字长
      • 一个字的二进制位数。
      • 字分类
        • 数据字
          • 代表数据的字。
        • 指令字
          • 代表指令的字。
      • 流分类
        • 指令流
          • 取指周期中从内存读出的信息流。
        • 数据流
          • 执行周期中从内存读出的信息流。
  • 输入/输出设备
    • 通过适配器与主机相连。
      • 适配器相当于转换器。
    • 系统总线
      • 构成计算机系统骨架。
        • 多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。
        • 传送地址、数据和控制信息。

1.4 计算机的软件

  • 分类
    • 系统程序
      • 服务性程序
      • 语言程序
      • 操作系统
      • 数据库管理系统
    • 应用程序
      • 用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。
  • 软件发展
    • 手编程序/目的程序
      • 直接使用机器语言编写。
      • 计算机完全可以“识别”并执行。
    • 汇编程序
      • 汇编语言
        • 文字、符号和数字按规定的格式来表示不同的指令。
      • 汇编程借助汇编器把汇编语言翻译成目的程序(机器语言)。
    • 源程序
      • 算法语言
        • 接近数学语言。
      • 编译器
        • 编译程序 + 运行系统
        • 编译程序
          • 机器语言编写。
          • 将源程序翻译成目的程序。
        • 运行系统
          • 目的程序一般不能独立运行,需要运行系统辅助程序帮助。
      • 链接器
        • 将多个模块与库程序结合在一起以解析所有应用。
      • 加载器
        • 将机器代码放入合适的内存位置以便处理器执行。
    • 操作系统(软件系统)
      • 管理计算机资源+自动调度用户的作业程序
    • 数据库管理系统
      • 数据库+数据库管理软件

1.5 计算机系统的层次结构

  • 第五级
    • 高级语言级
    • 编译程序
    • 面向用户
  • 第四级
    • 汇编语言级
    • 汇编程序
  • 第三级
    • 操作系统级
    • 操作系统
  • 第二级
    • 一般机器级
    • 微程序
  • 第一级
    • 微程序设计级/逻辑电路级
    • 直接由硬件执行