计算机系统概述

计算机的发展

什么是计算机系统

计算机系统=硬件+软件
硬件：计算机的实体。
软件：由具有各类特殊功能的程序组成。
计算机性能的好坏取决于硬件和软件功能的总和。

软件

软件：系统软件+应用软件
系统软件：用来管理整个计算机系统
eg：操作系统、数据库管理系统（DBMS）、标准程序库、网络软件、语言处理程序、服务程序。
应用软件：按任务需要编织成的各种程序
eg：微信等等

硬件的发展

机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数。
微型计算机的发展以微处理器技术为标志。
摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍。

软件的发展

目前的趋势

“两极”分化
一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途的方向发展：
eg：手机、手环
另一极是向更巨形化、超高速、并行处理、智能化方向发展。

计算机硬件的基本组成

早期冯诺依曼机

“存储程序”是指将指令以二进制代码的形式实现输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首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，直到程序执行结束。

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。
eg：对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路来实现乘法运算，也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现。

冯诺依曼计算机的特点：

1.计算机由五大部分组成
2.指令和数据以相等地位存于存储器，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

现代计算机结构

以存储器为中心
cpu=控制器加运算器

主存储器的基本组成

主存储体：用来存放数据，数据在存储体中按地址存储
mar：存储地址寄存器，其位数反映存储单元的个数
mdr：存储数据寄存器，其位数=存储字长
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字：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

运算器的基本组成

控制器的基本组成

计算机的软件

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。

解释程序：将原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。

软件和硬件的逻辑功能等价性

计算机系统的层次结构

计算机系统的工作原理

从c语言源程序到可执行文件

计算机系统的工作原理

一开始可执行文件会被放在硬盘当中，需要执行时会转入到主存当中，经过cpu运行，然后与io设备交互。

计算机的性能指标

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

2^10:k 2^20:M 2^30:G 2^40:T

CPU的性能指标

cpu主频：cpu内数字脉冲信号震荡的频率。
cpu主频=\frac{1}{cpu时钟周期}
主频越高，cpu运行越快
cpi=执行一条指令所需的始终周期数
ips=每秒执行多少条指令
ips=\frac{主频}{评价cpi}
Flops：每秒执行多少次浮点运算

系统整体的性能指标

数据通路带宽：数据总线依次所能并行传送信息的位数。

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量

响应时间：指从用户向计算机发生一个请求，到系统对该请求做出相应并获得它所需要的结构的等待时间。