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本篇技术博文摘要 🌟

• 本文第一章围绕“计算机系统概述”展开，系统阐述了计算机的基本概念、发展脉络、体系结构与性能评价。内容主要分为三部分：首先回顾计算机硬件与软件的发展历程，包括摩尔定律及当前趋势；
• 其次深入剖析计算机系统的层次结构，涵盖硬件组成、工作原理、冯·诺依曼体系、软件分类以及“存储程序”的工作方式；
• 最后介绍了衡量计算机性能的各类指标，包括存储器、CPU及系统整体的性能参数。本章旨在建立对计算机系统整体框架和工作原理的初步认识，为后续学习奠定基础。

引言 📘

• 在这个变幻莫测、快速发展的技术时代，与时俱进是每个IT工程师的必修课。
• 我是盛透侧视攻城狮，一名什么都会一丢丢的网络安全工程师，也是众多技术社区的活跃成员以及多家大厂官方认可人员，希望能够与各位在此共同成长。

上节回顾

目录

本篇技术博文摘要 🌟

引言 📘

上节回顾

​

第一章 计算机系统概述​

1.1 计算机发展历程

1.1.1 计算机硬件的发展​

1.1.2微处理器的发展

1.1.3计算机硬件的发展：​

摩尔定律​

​

1.1.4 计算机软件的发展

1.1.5 目前的发展趋势​

1.1.6知识回顾与重要考点

1.2 计算机系统层次结构

1.2.1计算机系统的组成

1.2.2 计算机硬件的基本组成

​

1.2.3各个硬件的工作原理

主存储器的基本组成​

运算器的基本组成​

控制器的基本组成​

​

计算机的工作过程(手动模拟一遍即可)​

知识回顾与重要考点​

​

1.2.4早期和如今的计算机体系结构

早期的冯·诺依曼机

如今的计算机体系结构：以存储器为中心

​

1.2.5计算机软件

系统软件和应用软件​

三种级别的语言​

软件和硬件的逻辑功能等价性​

知识回顾与重要考点​

1.2.6计算机系统的多级层次结构

​

1.2.5 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

“存储程序”工作方式

知识回顾与重要考点

1.3 计算机的性能指标

1.3.1存储器的性能指标

1.3.2CPU的性能指标

​

​

1.3.3系统整体的性能指标

动态测试​

疑问​

1.3.4回顾取数指令

1.3.5回顾乘法指令

1.3.6知识回顾与重要考点​

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第一章 计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

1.1.1 计算机硬件的发展

1.1.2微处理器的发展

计算机系统=硬件+软件

1.1.3计算机硬件的发展：

• 第一代计算机：(使用电子管)，
• 第二代计算机：(使用晶体管)，
• 第三代计算机：(使用较小规模的集成)，
• 第四代计算机：(使用较大规模的集成)，

摩尔定律

1.1.4 计算机软件的发展

• 计算机软件技术的发展，促进计算机系统的发展。
• 计算机语言的发展经历了面向机器的机器语言和汇编语言、面向问题的高级语言。其中高级语言的发展真正促进了软件的发展，它经历了从科学计算和工程计算的 FORTRAN、结构化程序设计的 PASCAL到面向对象的C++和适应网络环境的Java。
• 同时，直接影响计算机系统性能提升的各种系统软件也有了长足的发展，特别是操作系统，如 Windows、UNIX、 Linux等。

1.1.5 目前的发展趋势

可以分为：

• 电子模拟计算机和电子数字计算机。

数字计算机又可以按照用途分为：

• 专用计算机和通用计算机
• 通用计算机又分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机6类。

按照指令和数据流可以分为：

• 单指令流和单数据流系统（SISD），即传统的冯·诺依曼体系结构。
• 单指令流和多数据流系统（SIMD），包括阵列处理器和向量处理器系统。
• 多指令流和单数据流系统（MISD），这种计算机实际上不存在。
• 多指令流和多数据流系统（MIMD），包括多处理器和计算机系统。

1.1.6知识回顾与重要考点

1.2 计算机系统层次结构

1.2.1计算机系统的组成

• 计算机系统由硬件系统和软件系统共同构建起来

1.2.2 计算机硬件的基本组成

1.2.3各个硬件的工作原理

主存储器的基本组成

• 存储器，存储器分为主存储器(内存储器，CPU能直接访问)和 辅助存储器(外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问)。

• 主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器既可以既可以按照地址寻址，又可以按照内容寻址，为了与传统存储器区别，又称为内容寻址的存储器！)

• 主存储器是由地址寄存器(MAR)，数据寄存器(MDR)，存储体，时序控制逻辑，地址寄存器存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器，是存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息。时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。在现代CPU，MAR和MDR是在CPU中的。

运算器的基本组成

• 运算器，是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算

• 运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)

控制器的基本组成

• 控制器，控制器是计算机的指挥中心，有其指挥各部件自动协调第进行工作，现代计算机将运算器和控制器集成到一个芯片上，合成为中央处理器，简称CPU。有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)。

• CPU详解
  • 一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。
  • 如上图所示：CPU包含ALU、通用寄存器组GPRs、标志寄存器、控制器、指令寄存器IR、程序计数器PC、存储器地址寄存器MAR和存储器数据寄存器MDR。图中从控制器送出的虚线就是控制信号，可以控制如何修改PC以得到下一条指令的地址，可以控制ALU执行什么运算，可以控制主存是进行读操作还是写操作(读/写控制信号)。
  • CPU和主存之间通过一组总线相连，总线中有地址、控制和数据3组信号线。MAR中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元；控制线中有读/写信号线，指出数据是从CPU写入主存还是从主存读出到CPU,根据是读操作还是写操作来控制将MDR中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到MDR中。

计算机的工作过程(手动模拟一遍即可)

• 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！
• 地址译码器是主存的构成部分，不属于CPU；地址寄存器虽然一般属于主存，但是现代计算机中绝大多数CPU内集成了地址寄存器！
• 关于CPU存取速度的比较：寄存器（CPU内部）> Cache(高速的SRAM) > 内存 （SDRAM）
• 计算机的工作过程叙述如下：
  • 首先PC将指令地址发送给MAR，MAR根据地址在存储体中找到指令数据存放在MDR中，之后MDR将指令存放在IR中，取指令结束，之后指令中的操作码进入CU中，地址码重复上述取指令步骤，将数据发送到ACC中，执行指令结束。注意区分指令和数据的依据:指令周期的不同阶段

知识回顾与重要考点

1.2.4早期和如今的计算机体系结构

早期的冯·诺依曼机

美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出“程序存储”的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“现代计算机之父”。

什么是存储程序原理？按此原理，计算机应具有哪几大功能？

“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

• 冯诺曼体系结构特点:

1. 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)
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

• 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，且是单处理机，最根本的特征是采用“存储程序”原理，基本工作方式是控制流驱动方式！

如今的计算机体系结构：以存储器为中心

• 现代计算机的结构

1.2.5计算机软件

系统软件和应用软件

• 计算机软件，一般分为系统软件和应用软件

  • 系统软件包括 操作系统，数据库管理系统，语言处理系统(比如编译器)，分布式软件系统，网络软件系统，标准库系统，服务性系统(比如连接程序)。

  • 应用软件包括各种科学计算类程序，工程设计类程序，数据统计与处理程序。

• 注意：

  • 数据库管理系统和数据库系统是有区别的。数据库管理系统是系统软件。而数据库系统一般是由数据库，数据库管理系统，数据库管理员和应用系统构成。所以只能说它里面有系统软件，但并不能说它为系统软件。

三种级别的语言

• 1)机器语言。又称二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的二进制编码。机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。

• 2)汇编语言。汇编语言用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。使用汇编语言编辑的程序，必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。

• 3)高级语言。高级语言(如C、C++、Java等)是为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。通常高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

• 补充

  • 由高级语言转换到汇编语言的过程叫做编译，由汇编语言转换到机器语言的过程叫做汇编，边翻译边执行的叫做解析。

  • 机器语言是唯一可以控制cpu的语言，因为它的符号不利于人识别和书写，为了方便理解和记忆，将机器语言换一些通俗易懂的符号，这就变成了汇编语言。一般来说在在编译器中高级语言先转换为汇编在转换为机器语言，也有直接转换为机器语言的情况。

  • 机器语言是计算机唯一可以直接执行的语言，汇编语言用助记符编写，以便记忆。而正则语言是编译原理中符合正则文法的语言。
    

  • 解释程序的特点是翻译一句执行一句，边翻译边执行：由高级语言转化为汇编语言的过程称为编译，把汇编语言源程序翻译成机器语言程序的过程称为汇编。

软件和硬件的逻辑功能等价性

知识回顾与重要考点

1.2.6计算机系统的多级层次结构

1.2.5 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

“存储程序”工作方式

知识回顾与重要考点

1.3 计算机的性能指标

1.3.1存储器的性能指标

机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么？

• 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
• 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。
• 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数， 它们都必须是字节的整数倍。
• 数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。
• 指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。
• 早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。
• 注意:
  • 64位操作系统是指特别为64位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用64位处理器的优势。
  • 但64位机器既可以使用64位操作系统，又可以使用32位操作系统。
  • 而32位处理器是无法使用64位操作系统的。

• 主存容量
• MAR的位数反映存储单元的个数，如MAR为16位，表示存储单元为216 = 64K;若MDR为32位，则存储容量为216x32.

1.3.2CPU的性能指标

CPU时钟周期。通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期。

主频(CPU时钟频率)。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。

• CPU周期又称为机器周期，由多个时钟周期组成！
• 指令周期>CPU周期>时钟周期
• CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间。
• CPU执行时间 =CPU时钟周期数/主频 = (指令条数xCPI)/主频
• CPU的性能取决于三个要素:主频、CPI 、指令条数

• IPS(Instructions Per Second) =主频/平均CPI，每秒执行多少指令

• MIPS(Million Instructions Per Second)=即每秒执行多少百万条指令。

• MFLOPS(Mega Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x10^6),即每秒执行多少百万次浮点运算。

• GFLOPS(Giga Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x10^9)，即每秒执行多少十亿次浮点运算。

• TFLOPS(Tera Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x10^12)，即每秒执行多少万亿次浮点运算。

1.3.3系统整体的性能指标

动态测试

疑问

1.3.4回顾取数指令

1.3.5回顾乘法指令

1.3.6知识回顾与重要考点

欢迎各位彦祖与热巴畅游本人专栏与技术博客

你的三连是我最大的动力

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