计算机的基本组成

计算机系统概述

计组重点计算机系统：
- 配套的硬件设备
- 软件系统
软件与硬件：
- 硬件：计算机系统的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件以及各类光、电、机设备的实物组成
  - 包括主机、外部设备
- 软件：人们事先编制的具有各类特殊功能的程序，是无形的
- 固件：具有某种软件功能的硬件
  - 一般使用ROM(Read Only Memory)实现
系统程序与应用程序：
- 系统程序：用来对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务的各种软件
- 应用程序：用户在各自的系统中开发和应用的各种程序

#计组重点冯•诺依曼计算机的特点

计算机由以下五个部分组成
- 运算器：完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内
- 存储器：存放数据和程序
- 控制器：控制、指挥程序和数据的输入、运行和处理运算结果
- 输入设备：将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式
  - 常见：键盘、鼠标
- 输出设备：将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式
  - 常见：打印机、显示器
采用存储程序方式
- 指令和数据以同等的地位存放在存储器中，并可以按地址寻访
- 计算机能在不需要操作人员的干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务
指令和数据均使用二进制数表示
指令由操作码和地址码组成
- 操作码：指出操作类型
- 地址码：指出操作数的地址
- 程序：由一串指令组成
指令在存储器内按照顺序存放
- 通常情况下，指令是顺序执行的
- 在特定条件下，可以改变执行顺序
以运算器为中心
计组重点简述：基于存储程序原理的冯诺依曼计算机工作方式的基本特点是按地址访问并顺序执行指令
冯诺依曼计算机硬件图（以运算器为中心）：

冯诺依曼结构以运算器为中心的缺点：所有的数据都经过运算器，但有的数据可能不需要进行运算，仍然需要经过运算器，导致了算力的浪费，降低计算机的运行效率因此现代的计算机，不再以运算器为中心，而是以存储器为中心

计算机硬件框图

以存储器为中心的现代计算机结构：
现代计算机硬件框图：
计算机核心部件：
- [[存储器#主存储器|主存储器]]（内存、CPU缓存） 是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息
  - 另一类称为[[辅助存储器|辅助存储器]]，指除了计算机内存以及CPU缓存以外的存储器
- 中央处理器（Central Processing Unit）：
  - 主要功能：解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据
  - 包括：
    - 算数逻辑单元（ALU）：用来完成算数逻辑运算
    - 控制单元（CU）：用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令
    - [[高速缓冲存储器|高速缓冲存储器(Cache)]]
    - [[系统总线|总线]]
现代计算机结构模型：

计算机的工作步骤

上机前的准备

上机前的准备：
- 建立数学模型
- 确立计算方法
- 编制解题程序
机器指令的组成：操作码：地址码
计算\(ax^2+bx+c\)程序清单：

计算机的解题过程

运算器的基本组成及操作过程

运算器的组成：
- 3个寄存器：
  - 累加器：ACC（Accumulator）
  - 乘商寄存器：MQ（Multiplier-Quotient Register）
  - 操作数寄存器：X
各寄存器所存放的各类操作数

	ACC	MQ	X
加法	被加数和		加数
减法	被减数差		减数
乘法	乘积高位	乘数乘积低位	被乘数
除法	被除数余数	商	除数
- 四个基本运算的操作过程：
- 加法：
- 减法：
- 乘法：
- 除法：

存储器的基本组成

150 - 地址码的组成： - 存储体——存储单元——存储元件 - 类比：教学楼——教室——座位 - 存储单元是一个字节 - 逐级寻找 - 存储器的组成： - 存储体 - MAR：存储器地址（Address）寄存器 - 反映存储单元的个数 - MAR=4bit->存储单元个数=\(2^4=16\) - MDR：存储器数据（Data）寄存器 - 反映存储字长 - MDR=8bit->存储字长=8bit

MAR、MDR为寄存器，实际是在CPU内部的寄存器，而不是在主存中，本章如此画图是为了表示其关系与方便

控制器的基本组成

150 - 控制器的基本组成： - 控制单元：CU（Control Unit） - PC取指令 - 用于存放当前欲执行指令的地址 - 具有计数功能 - IR分析指令 - 用于存放当前欲执行的指令

#计组重点主机完成一条指令的过程

取数过程：
存数过程：
两个过程之间的异同点：
- 同：取指、译码
- 异：执行、访存

计算机系统性能评价

制造成本
衡量计算机性能的基本指标：
- 响应时间（Response Time）：指从开始一个任务到完成该任务的时间，或称为执行时间
- 吞吐量（throughput）：单位时间内完成的工作量

响应时间与吞吐量

假定用户不间断的输入请求，则在系统资源充裕的情况下，单个用户的吞吐量与相应时间成反比，即响应时间越短，吞吐量越大

一般来说，降低响应时间几乎总是可以增加吞吐率。因此，通过将计算机中所的处理器更换为更高速的型号，可以改进相应时间和吞吐率。为系统增加额外的处理器，使用多处理器来分别处理独立的任务并不会使任务完成的更快，只有吞吐率得到提高。但是，如果增加处理器对处理任务的需求和吞吐率一样打，系统可能强制后续请求进行排队。在这种情况下，改善吞吐率可以同时改进响应时间，因为这样会减少队列中的等待时间。所以，在实际的计算机系统中，响应时间和吞吐率往往相互影响。 ——⟪计算机组成与设计：硬件软件接口⟫
假设有两个机器X、Y，如果X的执行速度是Y的n倍，则：\(\(\frac{性能_X}{性能_Y}=\frac{执行时间_Y}{执行时间_X}=n\)\)

性能的度量

在比较计算机性能时，使用执行时间来衡量计算机的性能
- 完成同样工作量所需要的时间最短的那台即性能最好的
- 处理器时间往往被多个程序共享使用，一个处理器上可以同时运行多个程序
- 用户感觉到的时间：
  - CPU时间：表示在CPU上花费的时间
    - 用户CPU时间：用于用户程序的时间
    - 系统CPU时间：操作系统为用户程序执行相关任务所花费的CPU时间
  - 其他时间：指等待I/O操作完成或CPU花在其他用户程序的时间
    
    在不同应用场合，用户所关心的性能有所不同：运行在服务器上的应用，主要关注I/O性能；多媒体应用要求吞吐率高；事务处理系统要求响应时间快
计算机硬件的主要技术指标：
- 机器字长
- 存储容量
- 运算速度
一些重要概念及技术指标：
- 机器字长：CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关
- 时钟周期：CPU产生的同步市州定时信号，也就是CPU主脉冲信号，宽度称为时钟周期
- 时钟频率：CPU中的主脉冲信号的时钟频率，为CPU时钟周期的倒数\(\(\text{程序的CPU执行时间}=\text{程序的CPU时钟周期数}\times\text{时钟周期长度}=\frac{\text{程序的CPU时钟周期数}}{\text{时钟频率}}\)\)
- 指令平均时钟周期数（Clock Cycle Per Instruction(CPI)）：\(\(\text{CPU时间}=\frac{\text{指令数}\times\text{CPI}}{时钟频率}\)\)
- MIPS(Million Instructions Per Second)
  - 使用MIPS数表示性能的局限性：
    - 不同机器的指令集不同
    - 程序由不同的指令混合而成
    - 指令使用的频度动态变化
- MFLOPS(Million Floating-point Operations Per Second)：
  - 局限：
    - 与机器相关性大
    - 并不是程序中花时间的部分
      
      [!note] Instruction System，指令集，指计算机所能执行的全部指令（功能的集合）。从系统结构角度看，它实现了软件和硬件的交互关系，是表征计算机性能的重要因素。
性能的改进：