计算机系统概论

1.1 计算机的分类

1. 电子计算机从总体来说分为两大类：
   • 一类是电子模拟计算机，模拟计算机的特点是数值是由连续量来表示，运算过程也是连续的。数据表示方式为电压。
   • 另一类是电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位计算，并且不连续地跳动计算。数字表式方式为0和1。
2. 电子数字计算机又可以分为专用计算机和通用计算机，通用计算机可以分为超级计算机、大型机、服务机、PC机、单片机和多核机六类。

1.2 计算机的发展简史

最先出现四位的计算机，然后是八位，然后是十六位，三十二位，六十四位，到了六十四位的时候，已经可以满足基本的计算需求了，位数越大，表示数据的精度就越高，数据就越准确。

1. 计算机的性能指标

   • 吞吐量：表示一台计算机在某一段时间间隔内（一般是1秒）能够处理的信息量，单位为B/s。

   • 响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示，一般是纳秒，微秒。

   • 利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比来表示。

   • 处理机字长：指处理机运算器一次能够完成的二进制运算的位数，如32位，64位。

   • 总线宽度：一般指CPU中的运算器和存储器之间进行互连的内部总线二进制位数，也就是CPU可以从存储器读取多少位数据。

   • 存储器容量：存储器中所有的存储单元总数目，通常用KB,MB,GB,TB来表示。

   • 存储器带宽：单位时间从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒来表示。

   • 主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟的控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。

     主频的倒数称为CPU时钟周期（T），T=1/f，度量单位是us，ns。

   • CPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间：CPU执行时间=CPU时钟周期数XCPU时钟周期

   • CPI：表示每条指令的周期数，即执行每一条指令所需的平均时钟周期数：CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令数

   • MIPS：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数：MIPS=指令数/（程序执行时间*10的六次方）

   • FLOPS：表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能：FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间

1.3 计算机的硬件

1. 数字计算机的基本组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

2. 冯诺依曼型计算机：存储数据同时也存储程序，按照地址自动执行，五大部件，其中有控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备，以运算器为中心。

3. 运算器：可以进行算术运算和逻辑运算，计算机中参与运算的数值都是二进制的，运算器的长度一般是8/16/32/64位。

4. 存储器：存储数据和程序，分为内存和外存。

5. 控制器：每一条基本操作叫做指令，而解决某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序，简称为程序，每条指令应该明确的告诉控制器，从存储器的哪个单元取数，并且如何操作。这样指令的内容就分为两部分，即操作的性质和操作数的性质。前者称为操作码，后者称为地址码。

   其中操作码指出指令进行哪些操作，例如加减乘除取数存数等，而地址码表示参加运算的数据从存储器的哪个单元来或者运算结果到哪个存储单元去。

   指令的操作码和地址码用二进制代码表示

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