第一章计算机系统概述

1.1 计算机硬件的基本组成

冯·诺依曼机

“存储程序”概念

将程序包含的所有指令都预先存储在计算机中，并只给出第一条指令所在的存储位置，让计算机自动顺序执行。

冯·诺依曼结构

以运算器为核心。输入的数据哪怕不需要运算器执行运算，也需要经由运算器中转才能送入存储器或输出设备。
控制器控制所有组成部件，各部件也会将信息反馈给控制器。
冯·诺依曼计算机的特点
计算机由五大部件组成：输入设备、输出设备、运算器、存储器、控制器
指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成
存储程序
以运算器为中心

现代计算机结构

现代计算机结构

现代计算机结构特点
以存储器为中心
CPU=运算器+控制器
存储器又称为主存，即通常说的内存/运行内存；而机械硬盘、固态硬盘等不是主存，而是辅存，归为I/O设备

1.2 主机中的各硬件部件概述

主存储器

存储体

存储数据，按地址存储。

存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字长：单个存储单元中存储的二进制代码的位数（8bit的整数倍）
存储字：存储单元中二进制代码的组合
地址寄存器（Memory Address Register）
存储数据存放的地址，其位数反映了存储体中存储单元的个数。
数据寄存器（Memory Data Register）
存储要存取的数据，其位数反映了存储字长。

运算器

累加计数器（ACC）：存放操作数、运算的结果
乘商寄存器（MQ）：进行乘、除法时使用
通用寄存器（X）：存放操作数
算术逻辑单元（ALU）：用电路实现各种算术运算、逻辑运算

控制器

控制单元（Control Unit, CU）
分析指令，给出控制信号
指令寄存器（Instruction Register, IR）
存放当前执行的指令
程序计数器（Program Counter, PC）
存放下一条指令的地址，有自动加1功能

计算机的工作过程

int a = 2, b = 3, c = 1, y = 0;
void main(){
    y = a * b + c;
}

*以下操作描述中的小括号“()”表示其中存储的内容，如(PC)指的是PC中存储的内容；M（MAR）中的M表示主存储器，M（MAR）表示MAR中存储的地址所对应的存放在主存储器的那一条数据/指令

初始状态：(PC)=0，即第一条指令的存储地址
step 1：（PC）→MAR，使得（MAR）=0
step 2：M（MAR）→MDR，使得（MDR）= 000001 0000000101
step 3：取出的是指令，因此需要送到指令寄存器。（MDR）→IR，使得（IR）= 000001 0000000101
step 4：OP（IR）→CU，即将指令中的操作码部分送入控制单元，控制单元分析知000001是取数指令，要按地址码指明的地址从主存储器中取数并送入ACC.
step 5：AD（IR）→MAR，即将指令中的地址码送入MAR，使得（MAR）=5（0000000101）。表明取数是从主存储器上的这个地址取数。
step 6：M（MAR）→MDR，使得（MDR）=0000000000000010=2。按地址从主存储器中取得对应的数。
step 7：MDR→ACC，使得（ACC）=2。送入到ACC
step 8：PC自动+1，使得（PC）=1

1.3 计算机系统的层次结构

微程序机器 M0

由硬件执行微指令。微指令中特定位的二进制数对应特定电路逻辑门的开关。

一条微指令可实现如存储器读、写等硬件操作。

传统机器 M1

使用机器语言。一条机器语言指令即一段微程序，由多条微指令组成。

如取数指令000001 0000000101，功能为从主存储器的指定地址中取数并送入ACC，则可能包括读入地址码+存储器读+送入总线+ACC写等多条微指令。

虚拟机器/操作系统机器 M2

向上层提供“广义指令”（系统调用）

虚拟机器/汇编语言机器 M3

汇编语言指令与机器语言指令是一一对应的，只不过用人类可以看懂的字母符号（助记符）代替了二进制数。

如汇编语言指令LOAD 5对应的即机器语言取数指令000001 0000000101。

程序员使用汇编语言编写程序后，再通过汇编程序转换为对应的机器语言，才会被计算机识别执行。

虚拟机器/高级语言机器 M4

与汇编语言相比更加可读，如一行高级语言代码y=a*b+c，需要编写前文图中所示的多条汇编语言指令/机器指令才能等效实现。

程序员使用高级语言编写程序后，需要通过编译程序（编译器）来将高级语言转换成汇编语言，再经过汇编程序最终翻译成计算机可识别可执行的机器语言。

有些编译程序可以直接完成高级语言→机器语言的转换。

另外，还有常见的高级语言如Python、JavaScript等，不通过编译程序进行翻译，而是通过解释程序（解释器）完成高级语言→机器语言的转换。

编译程序和解释程序的异同：

编译程序将源程序一次性全部翻译好再执行机器语言程序，只需翻译一次
解释程序一次只翻译源程序的一条语句并立即执行，然后再翻译下一条语句。

1.4 计算机的性能指标

存储器的性能指标

总容量
存储单元个数×存储字长，单位是bit
存储单元个数×存储字长/8，单位是Byte
若MAR为32位，MDR为8位，则总容量为$2^{32}\times8 （bit）=4\times2^{30}（Byte）=4GB$
$1KB=2^{10}Byte$，$1MB=2^{20}Byte$，$1GB=2^{30}Byte$，$1TB=2^{40}Byte$

CPU的性能指标

CPU时钟周期：CPU内一个完整数字脉冲所需的时间。单位：微秒或纳秒。
CPU主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率，即数电中的时钟频率，为CPU时钟周期的倒数。单位：赫兹Hz（注意，GHZ代表$10^9$赫兹）
CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条机器指令所需的时钟周期数。

执行一条机器指令所需的时钟周期数是波动的，不同的机器指令会需要不同的时钟周期数，同一条机器指令两次执行所需的时钟周期数也可能不同，这是受其他部件及机器状态影响的。

因此CPI代表的是一个平均值。

IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令。

$IPS=\frac{主频}{平均CPI}$

FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行浮点运算的次数

系统总体的性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送的信息位数
吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
响应时间：从用户向计算机发送一个请求到计算机响应并反馈结果的时间

常用数量单位

描述存储容量、文件大小时：$K=2^{10}$，$M=2^{20}$，$G=2^{30}$，$T=2^{40}$
描述频率、速率时：$K=10^{3}$，$M=10^{6}$，$G=10^{9}$，$T=10^{12}$

1.5 概念辨析

字节、字、字长、机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系

字节：1字节=8bit

字：表示机器中被处理信息的单位。计算机中总线一般被设计为可以传送一块固定大小的数据，每一块数据就是一个字（CS:APP）；或CPU内部用于整数运算的数据通路的宽度，也是寄存器大小（王道/stackoverflow）

字长：一个字所占的bit数。不同机器的字长可能不同，如32位机器的字长为32bit，64位机器的字长为64bit

机器字长：即字长

指令字长：一条机器指令所占的bit数，指令字长取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数，因此不同指令的指令字长可能不同。

存储字长：一个存储单元存储的bit数。

字长/机器字长、指令字长、存储字长都一定是8bit的整数倍，所以能以byte为单位描述

另，指令字长一般是存储字长的整数倍

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