计算机系统概述

计算机系统的组成部分

一台完整的计算机由软件与硬件组成,有一部分固化的软件称为固件.

冯 诺依曼体系结构 计算机的硬件系统包含 运算器,控制器,存储器,输入输出设备五部分. 其中运算器和控制器合称中央处理器(CPU),CPU和存储系统合称主机.

• 基本工作方式: 控制流驱动方式
• 基本特点: 按地址访问并顺序执行指令
• 区分数据和指令的办法: 根据指令的不同阶段

冯 诺依曼体系结构 的核心思想

• 存储程序 将程序和运行程序所需要的数据以二进制的形式存放在存储器中

• 程序控制 计算机中的控制器逐条取出存储器中的指令并按顺序执行

软件通常分为 系统软件和应用软件, 常见的系统软件有: 操作系统, 程序设计语言及语言处理程序, 数据库管理系统.

程序的编译过程

常见的高级语言有两种 编译型如CPP,C等, 解释型如Python. 其中编译型需要通过如下编译步骤生成可执行文件(如.exe文件)才能执行;而解释型语言只需要通过解释器逐条翻译并执行而不需要生成可执行文件.

编译过程

• 预处理程序
  • 展开头文件(#include),宏定义(#define)等
• 编译程序
  • 将高级语言程序转换边汇编语言程序
• 汇编程序
  • 将汇编语言程序转换会可重定位的二进制文件
• 链接器
  • 将多个.o文件链接在一起生成可执行的二进制文件

计算机系统的层次系统

ISA(系统指令集架构) 是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含了处理器能够执行的所有指令的集合，以及这些指令的操作数类型、寻址方式等。

各层之间的关系 高层是低层功能的拓展,低层是高层的基础

软件和硬件逻辑功能的等价性 在功能层面，硬件和软件可以实现相同或相似的计算或控制逻辑. 通常来说用硬件实现速度更快.

计算机性能指标和评价

字长 指CPU一次能处理的数据位数. 字长一般和计算机内部存储器,运算器,数据总线的位宽相同.

• 字长越长计算精度越高,反之越低
• 字长越长定点数表示范围越大,浮点数表示范围越大,精度越高

主存容量 通常用 MxN表示,其中 M表示存储单元数,也称字容量;N表示每个存储单元存储二进制数,也称位容量.

时钟周期 计算机中的最基本,最小的时间单位. 在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作.

• 时钟周期是时钟频率的倒数, 也称节拍周期(T周期)

CPI(Clock Cycles Per Instruction) 执行每条指令所需要的平均时钟周期数.

\[ CPI=\frac{m}{IC} \]

• m 表示程序执行所有指令所需要的时钟周期数
• IC 表示总指令条数

CPU时间 又称CPU执行时间.

\[ T_{cpu}=m\times T = \frac{m}{f} = CPI\times IC\times T = \frac{CPI\times IC}{f} \]

• T 机器时钟周期
• f 机器的时钟频率

IPC(Instruction Per Cycle) 每个时钟周期CPU能执行的指令条数. 是CPI的倒数.

MIPS(Million INstructions Per Second) 每秒百万条指令.

\[ MIPS=\frac{IC}{T_{cpu}\times 10^6} = \frac{f}{CPI} = IPC\times f \]

• f的单位为MHz

MFLOPS 计算机每秒执行浮点数的次数(以M(10^6) 为单位),更大的单位有 GFLOPS(10^9), TFLOPS(10^12), PFLOPS(10^15), EFLOPS(10^18), ZFLOPS(10^21).