1.2.2 计算机硬件#

1. 冯诺依曼机基本思想 提出“存储程序”思想，基本工作原理是控制流驱动方式。主要特点：

   • 采用“存储程序”工作方式：把编制好的程序和初始数据预先存入主存储器，计算机启动后能自动，连续地取指并执行，直到程序结束，无需人工干预。
   • 硬件系统由运算器,控制器,存储器,输入设备和输出设备五大部件组成。
   • 指令和数据在存储器中以相同的形式存放，仅凭内容无法区分，但计算机应能识别它们。
   • 指令和数据均采用二进制编码表示
   • 指令由操作码和地址码组成，其中操作码指明操作类型，地址码指出操作数的地址。

2. 计算机的功能部件

   中央存储器(CPU)包括运算器，控制器，各类寄存器。

   • CPU

     传统基本组成部分是运算器和控制器，现代处理器架构中为数据通路和控制单元。 数据通路: 执行之际运算的硬件通路，核心包括算数逻辑单元(ALU)和通用寄存器组。ALU运算，寄存器存储，控制单元: 协调整个CPU工作。

   • 存储器

     通常分为外存和内存。现代内存由主存和高速缓存(Cache)。传统上内存是主存。在冯诺依曼体系中，主存作为核心的工作存储器，用于存放待执行的程序和数据。外存有和主存交换数据的磁盘固态，还有长期备份的海量存储设备(磁带，光盘)

   • 外部设备和设备控制器

     外部设备简称外设，I/O设备如打印机。 设备控制器统称I/O控制器或I/O接口，如网卡，显卡。

   • 总线

     是计算机中用于和各种设备部件之间传输信息的公共通路。CPU-处理器总线，主存-存储器总线，I/O设备通过控制接入I/O总线。

1.2.3 计算机软件#

1. 按功能划分
   • 系统软件: 一组邦长计算机系统高效，正确运行的基础软件，用于管理和调度系统资源，为用户和应用程序提供基础服务。如操作系统(OS)，数据库管理系统(DBMS)等
   • 应用软件: 用户为解决特定应用领域问题而开发的程序。
2. 软硬件逻辑功能等价 软件和硬件在逻辑功能上等价叫做软/硬件逻辑功能的等价性，硬件效率通常高于软件。软/硬件逻辑功能等价性是计算机系统设计的重要依据

1.2.4 计算机系统层次结构#

1. 算法和编程

   • 编程语言：分为高级语言(独立于硬件结构)和低级语言(依赖于机器结构—汇编语言和机器语言)
     • 机器语言：二进制代码语言，唯一能直接识别和执行的语言
     • 汇编语言：有助记符，要通过汇编程序翻译成机器语言
     • 高级语言：C/C++
   • 翻译程序：把高级语言源程序转换为机器语言的系统软件。 目标程序：转换后生成的程序
     • 汇编程序(汇编器)：汇编语言->机器语言
     • 解释程序(解释器)：逐条翻译并立即执行，不生成独立目标程序
     • 编译程序(编译器)：高级语言->汇编/机器语言目标程序

2. 操作系统

3. 指令集体系结构(ISA)

   是计算机软硬件关键接口，完整定义了软件可直接使用的硬件功能，主要有：指令格式，操作类型，寻址方式，可访问的寄存器等硬件资源。

4. 微体系结构(微架构)

   处理器内部硬件组织方式，实现ISA定义功能。核心设计包括数据通路组织，控制单元实现，流水线级数，缓存层次结构和分支预测等。相同ISA可对应多种不同的微架构

1.2.5 计算机系统用户#

• 最终用户
• 系统管理员
• 应用程序员
• 系统程序员

1.2.6 计算机系统工作原理#

1. 存储程序工作方式

   程序执行前，把包含的指令和数据预先加载到主存中，启动后不用人工干预，自动取指令并执行。步骤：主存中取指令(地址由程序计数器PC提供)，对指令译码，取操作数，执行操作，结果写回存储器。

   每次指令最后根据类型更新PC： - 顺序指令：下一个指令地址是PC+当前指令长度 - 跳转指令：下一个指令地址是指令中指定的地址

2. 源程序到可执行文件

   x.c->预处理器(cpp)->x.i->编译器(ccl)->x.s->汇编器(as)->x.o->链接器(ld)->x(二进制文件)

   • 预处理：处理#开头内容，生成完整文件
   • 编译：每个语句以文本形式描述为一条低级机器指令
   • 汇编：转换成机器语言指令生成x.o(可重定位目标文件)
   • 链接：解析外部符号引用

3. 指令执行过程描述

   可执行文件的代码段由一条条机器指令构成。指令执行可建模成**“取指-译码-执行”**

1.3.1 计算机主要性能指标#

1. 运算速度

   • 吞吐量：系统单位时间中处理请求的数量。存取性能对其有显著影响
   • 响应时间：用户发出请求到系统返回需求的等待时间，通常包含CPU时间和等待时间
   • CPU时钟周期：机器内部主时钟脉冲宽度，是CPU工作最小时间单位
   • 时钟脉冲：机器脉冲源产生，整形和分频后形成
   • 时钟周期
   • 主频(CPU时钟频率)：机器内部主时钟频率，时钟周期的倒数，表示每秒包含的时钟周期数

   NOTE

   CPU时钟周期 = 1/主频。主频单位赫兹(Hz)。10Hz表示每秒10个时钟周期

   • CPI：执行一条指令需要的时钟周期数量

     一般是平均CPI

   • IPS：每秒执行多少指令。 IPS = 主频/平均CPI

   • CPU执行时间：运行程序花费的时间

     CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 主频 = (指令条数 X CPI) / 主频

     CPU性能取决于：指令条数，CPI，主频 并且有制约关系

   • MIPS：每秒执行多少百万条指令

     MIPS = 指令条数 / (CPU执行时间 + 10^6) = 主频 / (CPI * 10^6)

     不推荐用于不同主机性能比较

   • FLOPS：每秒执行的浮点运算次数

     MFLOPS(百万),GFLOPS(十亿),TFLOPS(万亿),PFLOPS(千万亿),EFLOPS(百亿亿),ZFLOPS(十万亿亿)

   NOTE

   存储容量通常是 2^10 速率通常是 10^3

2. 基准程序：专门性能测评程序