计算机系统概述：硬件组成、软件层次、工作原理与性能指标梳理。
1.1 计算机系统的基本组成
- 计算机系统由硬件和软件两部分组成。
- 软件与硬件在逻辑上的等价性：对于某一功能，既能由硬件实现，又能由软件实现。
1.1.1 计算机系统的硬件
1. 冯·诺依曼计算机
- 采用“存储程序”工作方式。
- 五大基本部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
- 存储器存放数据和指令，形式上无区别，但计算机能区分。
- 计算机内部以二进制表示指令和数据；每条指令由操作码和地址码组成；程序由一串指令构成。
2. 计算机的功能部件
a. 运算器
- 功能：执行部件，进行算术运算和逻辑运算。
- 核心：算术逻辑单元(ALU)。
- 寄存器：
- 通用寄存器：暂存操作数和中间结果。
- 必备寄存器：累加器(ACC)、乘商寄存器(MQ)、操作数寄存器(X)。
- 其他：变址寄存器(IX)、基址寄存器(BR)等。
- 程序状态寄存器(PSW)：存放ALU运算标志信息（溢出、进位/借位、负结果等）或处理机状态信息。
b. 存储器
- 分类：
- 内存：主存储器（主存）、高速缓存(Cache)。（CPU可直接访问）
- 外存：辅助存储器（磁盘、SSD）、海量后备存储器。（需调入主存才能被CPU访问）
- 存储单元：
- 存储元：存储一位二进制代码（0/1）。
- 存储单元：若干存储元组成，可存储一串二进制代码（存储字）。
- 存储字长：存储单元中二进制代码的位数。
- 重要寄存器（现代计算机中集成在CPU内）：
- MAR(存储器地址寄存器)：存放要访问的主存地址，位数决定最大寻址空间。
- MDR(存储器数据寄存器)：暂存从主存读出或要写入主存的数据，位数等于存储字长。
- 工作过程：
- 读操作：CPU将地址写入MAR → 主存取出数据放入MDR → CPU从MDR取数据。
- 写操作：CPU将地址写入MAR，数据写入MDR → 主存将MDR数据写入对应地址。
c. 控制器
- 功能：对指令译码，生成控制信号，控制数据通路操作。
- 组成：
- 程序计数器(PC)：存放当前欲执行指令的地址，具有自动加“1”功能，与MAR相连。
- 指令寄存器(IR)：存放当前指令。操作码OP(IR)送CU分析；地址码Ad(IR)送MAR取操作数，与MAR、MDR相连。
- 控制单元(CU)：分析指令并发出微操作命令序列。
d. 外部设备
- 常由机械部分（设备本身）和电子部分（I/O控制器/适配器）组成，通过I/O控制器连接到主机。
1.1.2 计算机系统的软件
1. 计算机系统的层次结构
- 多级层次结构：
- 硬件：传统机器M1、微程序机器M0。
- 软件：操作系统级以上的各级虚拟机。
- 指令集体系结构(ISA)：软件与硬件之间的接口，定义软件能感知到的部分（软件可见部分）。包括数据类型、指令格式、寻址方式、寄存器定义、中断结构等。
- 本课程重点：传统机器M1和微程序机器M0的组成原理及设计思想。
2. 不同抽象层次的语言和程序
- 编程语言：
- 高级语言：机器无关，如C、Java。
- 低级语言（机器级语言）：与底层结构密切相关，包括机器语言和汇编语言。
- 机器语言：二进制编码的机器指令，可读性差。
- 汇编语言：用英文符号表示机器指令，便于编写和阅读。
- 翻译程序：
- 汇编程序(Assembler)：汇编语言 → 机器语言。
- 编译程序(Compiler)：高级语言 → 汇编语言/机器语言。
- 解释程序(Interpreter)：逐条翻译并执行高级语言源程序。
1.1.3 计算机系统的工作原理
1. “存储程序”工作方式
- 核心：程序和数据预先存入主存，启动后自动逐条取指并执行，无需人工干预。
- 指令执行过程：取指令 → 译码 → 计算下条指令地址 → 取操作数并执行 → 结果送回存储器。
- PC的作用：存放当前指令地址，顺序执行时PC自动加“1”（指令长度），转移指令时PC改为目标地址，保证指令的连续执行。
2. 高级语言程序和机器语言程序之间的转换
以hello.c为例：
- 预处理：处理
#include等命令，生成.i文件。 - 编译：生成汇编语言程序，
.s文件。 - 汇编：生成可重定位目标文件（二进制），
.o文件。 - 链接：合并多个目标文件和库函数，生成可执行文件。
习题（1.1部分）
- 冯诺依曼计算机工作方式的基本特点是（C. 按地址访问指令并自动按序执行程序）
- 关于冯诺依曼计算机结构的叙述错误的是（D. 指令按地址访问，所有数据在指令中直接给出）
- 存放当前执行指令的寄存器是（B. IR）
- 存放当前欲执行指令地址的寄存器是（A. PC）
- 存储字长是指（B. 存放在一个存储单元中的二进制代码位数）
- MAR和MDR的位数通常分别等于（A. 地址码长度、存储字长）
- 在CPU的寄存器中，对用户完全透明的是（B. 指令寄存器）
- 计算机硬件能够直接执行的是（A. 仅I 机器语言程序）
- 将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是（C. 编译程序）
- 关于冯诺依曼计算机基本思想的叙述错误的是（C. 指令按地址访问，数据都在指令中直接给出）
- 其位数(宽度)一定与机器字长相同的是（B. 仅 I、III ALU和通用寄存器）
1.2 计算机的性能指标
| 指标 | 定义 |
|---|---|
| 吞吐量 | 单位时间内处理请求的数量，主要取决于主存存取周期。 |
| 响应时间 | 从发送请求到获得响应结果的等待时间，包括CPU时间和等待时间。 |
| 时钟周期 | CPU主脉冲信号的宽度，CPU工作的最小时间单位。 |
| 主频 | 时钟周期的倒数，单位Hz。主频 = 1 / 时钟周期。 |
| CPI | 执行一条指令所需的平均时钟周期数。 |
| CPU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 | 每秒执行浮点运算次数。 |
| 基准程序 | 用于计算机性能评测的一组典型程序，能反映实际负载性能。 |
习题
- 计算机操作的最小单位时间是（时钟周期）
- 机器A（1.2ns, CPI=2）和B（2ns, CPI=1）执行同一程序，速度关系为（机器B比机器A快1.2倍）
（执行时间：A: 2×1.2=2.4ns/指令，B: 1×2=2ns/指令，B/A=1.2） - 能缩短程序执行时间的措施是（提高主频、优化数据通路、编译优化均可缩短）
- 描述浮点数操作速度指标的是（MFLOPS）
- CPU速度提高50%，I/O不变，原CPU时间90s，I/O时间10s，新CPU时间=90/1.5=60s，总时间=60+10=70s（70s）
- 主频1.2GHz，平均CPI=50%×2+20%×3+10%×4+20%×5=3，MIPS=1200/3=400（400）
- 原执行时间20s，优化后指令数×0.7，CPI×1.2，新时间=20×0.7×1.2=16.8s（16.8s）
- M1主频1.5GHz，CPI=2；M2主频1.2GHz，CPI=1。时间比=(2/1.5):(1/1.2)=1.333:0.833=1.6（1.6）