计算机组成原理20250719——计算机系统概述
- 发展历程
电子管
晶体管
中小规模集成电路
超大规模集成电路 - 系统组成
运算器：计算机的执行部件，用于对数据进行加工处理
控制器：计算机的指挥中心，由其控制各部件自动协调地进行工作
存储器：计算机的存储部件，用于存放程序和数据
输入设备：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机
输出设备：将计算机处理的结果以某些形式输出 - 性能指标
(1) 机器字长：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制的位数
(2)数据通路带宽：数据总线一次所能并行传递信息的位数
(3) 主存容量：主存储器所能存储信息的最大容量
(4)运算速度，有以下衡量指标：
- 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
- 响应时间：从用户提交请求到系统首次产生响应并获得其所需要的结果所用的时间
- 时钟周期：节拍脉冲或τ周期，CPU中最小的时间单位
- 主频：机器内部主时钟的频率，时钟周期的倒数
- CPI：执行一条指令所需的时钟周期数
- 执行时间：运行一个程序所花费的时间
- MIPS：每秒执行多少百万条指令
- FLOPS：每秒执行多少次浮点运算，分为MFLOPS、GFLOPS等
-
语言的转换
编译：由高级语言转换到汇编语言
汇编：由汇编语言转换到机器语言
解释：边翻译边执行（翻译一句执行一句，不生成目标程序，效率较低） -
冯诺曼体系结构特点:
- 计算机硬件系统由五大部件组成(存储器、运算器、控制器、输出设备、输入设备)
- 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
- 指令和数据用二进制表示
- 指令由操作码和地址码组成
- 存储程序
- 以运算器为中心
程序存储：指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，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，直至程序执行结束。即按地址访问并顺序执行指令
计算机按照此原理应具有5大功能：数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能
- 指令执行过程
取指令，分析指令，执行指令 - 计算机执行过程
- 把程序和数据装入主存储器
- 将源程序转换为可执行文件
- 从可执行文件的首地址开始逐条执行指令
- 常用寄存器：
IR存放当下欲执行的指令；
PC存放下一条指令的地址；
MAR存放欲访问的存储单元地址；
MDR存放从存储单元取来的数据！ - 透明性
在计算机领域中，站在某类用户的角度，若感觉不到某个事物或属性的存在，即“看”不到某个事物或属性，则称为“对该用户而言，某个事物或属性是透明的”。 - 存储系统
寄存器
cache
主存
辅存
为了解决存储系统大容量、高速度和低成本3 个相互制约的矛盾，在计算机系统中，通常采用多级存储器结构，由上至下，位价越来越低，速度越来越慢，容量越来越大， CPU 访问的频度也越来越低。 - 时间局部性和空间局部性
时间局部性：程序当前运行的指令或用到的数据，在不久也可能会用到。因为程序有循环结构
空间局部性：某个存储单元被访问，接下来它临近的存储单元也可能被访问。因为指令是顺序存放的，数组等数据结构所占的存储空间也是连续的。