计算机系统概述

1.计算机硬件的基本构成

“存储程序”的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

早期冯·诺依曼计算机的特点

1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为中心

现代计算机则是以存储器为中心的结构

• 存储器

存储器是计算机的存储部件，用来存放程序和数据，存储器分为主存和辅存。CPU能直接访问的存储器是主存

存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字(word)：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit

地址寄存器(Memory Address Register,MAR)，有效访存地址
数据寄存器(Memory Data Register,MDR)，用于暂存从存储器读写信息

MAR的位数放映存储单元的个数，例：MAR=4位：共有个存储单元
MDR的位数=存储字长，例：MDR=16位，1个字=16bit

• 运算器

用于实现算术运算，逻辑运算，包括

ACC： 累加器，用于存放操作数，或运算结果。
MQ： 乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
X： 通用的操作数寄存器，用于存放操作数
ALU： 算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

• 控制器

CU：控制单元，分析指令，给出控制信号
IR：指令寄存器，存放当前执行的指令
PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能

1.1.2 计算机软件的分类

系统软件：保证计算机系统高校、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用，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

应用软件：用户为解决某个应用领域中各类问题而编制的程序

数据库管理系统(DBMS)是系统软件，数据库系统(DBS)是应用软件

翻译程序：把高级程序语言源程序翻译成机器语言程序的软件，包括编译程序和解释程序

编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次）

解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句（每次执行都要翻译）

汇编程序：将汇编语言源程序翻译成机器语言程序

1.1.3 计算机系统的多级层次结构

1.2 计算机性能指标

1.2.1 存储器的性能指标

总容量=存储单元个数×存储字长bit=存储单元个数×存储字长/8 Byte

Eg：MAR为32位，MDR为8位，总容量= 232 * 8 bit = 4GB

1.2.2 CPU的性能指标

CPU主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率。
CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数

Eg：某CPU主频为1000Hz，某程序包含100条指令，平均来看指令的CPI=3。该程序在该CPU上执行需要多久？

∗ ∗(/)= .

 

IPS（Instructions Per Second ）：每秒执行多少条指令
FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算

1.2.3 系统整体的性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

吞吐量：指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。

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）。