计算机系统概述
1.1 计算机发展历程
1.1.1 计算机硬件的发展
计算机的发展经历了四代：
| 代次 | 年代 | 逻辑元件 | 主存储器 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 第一代 | 1946-1957 | 电子管 | 延迟线、磁鼓 | 机器语言，体积大，成本高，速度低 |
| 第二代 | 1958-1964 | 晶体管 | 磁芯存储器 | 出现高级语言和编译程序，操作系统雏形 |
| 第三代 | 1965-1971 | 中小规模集成电路 | 半导体存储器 | 分时操作系统，高速缓存、虚拟存储器概念出现 |
| 第四代 | 1972至今 | 大规模/超大规模集成电路 | 半导体存储器 | 微处理器，并行、流水线等技术 |
重要规律：
- 摩尔定律：价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月增加一倍，性能提升一倍。
- 半导体存储器发展：从单芯片1KB到现在的1GB以上。
- 微处理器发展：从Intel 4004（4位）到Core i7（64位），机器字长不断增长。
1.1.2 计算机软件的发展
- 机器语言 → 汇编语言 → 高级语言（FORTRAN、PASCAL、C++、Java等）。
- 系统 软件：操作系统（Windows、UNIX、Linux）、编译程序等。
1.2 计算机系统层次结构
1.2.1 计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统共同构成。
- 硬件：物理设备的总称。
- 软件：程序、数据及相关文档。
软硬件逻辑等价性：某一功能既可用软件实现，又可用硬件实现，在逻辑功能上是等价的。硬件实现速度快，软件实现灵活。
1.2.2 计算机硬件
冯·诺依曼机基本思想
核心是“存储程序”概念。特点：
- 采用“存储程序”工作方式。
- 硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部分组成。
- 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上无区别，但计算机能 区分。
- 指令和数据均用二进制代码表示。
- 指令由操作码和地址码组成。
计算机的功能部件
（1）输入设备：将程序和数据输入计算机（键盘、鼠标等）。
（2）输出设备：将处理结果输出（显示器、打印机等）。
（3）存储器
- 主存储器（主存）：CPU可直接访问。按地址存取。
- 存储体：存放二进制信息。
- MAR（存储器地址寄存器）：存放访存地址。MAR的位数反映最大可寻址的存储单元个数（如10位MAR可寻址2^10=1024个单元）。
- MDR（存储器数据寄存器）：暂存从存储器中读或写的信息。MDR的位数通常等于存储字长。
- 注意：MAR和MDR虽然属于存储器部分，但在现代计算机中通常存在于CPU中。
（4）运算器
- 核心是ALU（算术逻辑单元）。
- 包含通用寄存器（如ACC累加器、MQ乘商寄存器、X操作数寄存器等）。
- 包含PSW（程序状态寄存器），存放标志信息（溢出、进位、负、零等）。
（5）控制器
- PC（程序计数器）：存放下一条指令的地址，具有自动加1功能。
- IR（指令寄存器）：存放当前指令。
- CU（控制单元）：分析指令并发出微操作命令序列。
通常将运算器和控制器集成在同一芯片上，称为CPU（中央处理器）。CPU和主存构成主机，其他为外设。
1.2.3 计算机软件
- 系统软件：操作系统、数据库管理系统、语言处理程序等。
- 应用软件：为解决具体应用问题而编制的程序。
三个级别的语言
| 语言类型 | 特点 | 执行方式 |
|---|---|---|
| 机器语言 | 二进制代码，计算机唯一可直接执行的语言 | 直接执行 |
| 汇编语言 | 用助记符代替二进制，需汇编程序转换为机器语言 | 汇编后执行 |
| 高级语言 | 接近自然语言，需编译/解释 | 编译或解释后执行 |
翻译程序
- 汇编程序：汇编语言 → 机器语言。
- 解释程序：逐条翻译并立即执行，不生成目标文件。
- 编译程序：将高级语言一次全部翻译为汇编或机器语言程序。
软/硬件逻辑功能等价性：如浮点数运算既可 用硬件浮点运算器实现，也可用软件子程序实现。
1.2.4 计算机系统的层次结构
| 层次 | 名称 | 实现方式 |
|---|---|---|
| 第5层 | 高级语言层 | 编译程序支持 |
| 第4层 | 汇编语言层 | 汇编程序支持 |
| 第3层 | 操作系统层 | 操作系统（混合层） |
| 第2层 | 传统机器语言层 | 微程序解释指令系统 |
| 第1层 | 微程序机器层 | 硬件直接执行微指令 |
- 裸机：没有配备软件的纯硬件系统。
- 虚拟机：第3~5层，由软件实现的机器。
- ISA（指令集体系结构）：软件与硬件之间的接口，是软件可见部分。
1.2.5 计算机系统的工作原理
“存储程序”工作方式：程序执行前先送入主存，启动后自动逐条执行指令。
从源程序到可执行文件的四个阶段（以GCC为例）：
- 预处理：处理
#include、#define等，生成.i文件。 - 编译：将
.i文件编译为汇编语言文件.s。 - 汇编：将
.s文件转换为可重定位目标文件.o（二进制）。 - 链接：将多个
.o文件和库函数链接为可执行文件。
指令执行过程举例（取数指令）：
- 取指令：PC → MAR → 主存 → MDR → IR
- 分析指令：OP(IR) → CU
- 执行指令：Ad(IR) → MAR → 主存 → MDR → ACC
- 计算下条指令地址：(PC) + 1 → PC
注意：(PC)表示PC中的内容，PC→MAR表示数据通路，括号省略；但运算时不能省略，如(PC)+1→PC。
1.3 计算机的性能指标
1.3.1 主要性能指标
1. 机器字长
- 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。
- 通常等于通用寄存器位数、ALU宽度。
- 字长越长，数的表示范围越大，精度越高。
2. 数据通路带宽
- 数据总线一次并行传送信息的位数。可能与CPU内部数据总线宽度不同。
3. 主存容量
- 主存储器所能存储的最大信息量，通常以字节为单位。
- MAR位数决定最大存储单元个数，MDR位数决定存储字长。
例：MAR为16位，MDR为32位，则存储容量 = 2^16 × 32位 = 64K × 32位。
4. 运算速度
-
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：从用户发送请求到获得响应的时间。包括CPU时间和等待时间。
-
主频与CPU时钟周期：
- 时钟周期 = 1 / 主频，是CPU工作的最小时间单位。
- 主频越高，执行指令越快。
-
CPI（Cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的平均时钟周期数。
-
CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 主频 = 指令条数 × CPI / 主频。
-
IPS（Instructions Per Second） = 主频 / 平均CPI。常用MIPS（百万条指令/秒）。
-
MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 10^6) = 主频 / (CPI × 10^6)。
注意：不同机器的指令集不同，MIPS不能直接比较性能。 -
FLOPS：每秒执行的浮点运算次数。
MFLOPS（10^6）、GFLOPS（10^9）、TFLOPS（10^12）、PFLOPS（10^15）、EFLOPS（10^18）、ZFLOPS（10^21）。
5. 基准程序
- 专门用来进行性能评价的一组程序，反映实际负载的性能。但可能被针对性优化。
1.3.2 几个专业术语
- 系列机：具有相同体系结构、基本指令系统的多个型号计算机。
- 兼容：软件或硬 件的通用性，通常在同一系列不同型号间存在。
- 固件：将程序固化在ROM中组成的部件，具有软件特性、硬件速度，如部分操作系统固化在ROM中。
1.4 常见问题和易混淆知识点
1. 翻译程序、汇编程序、编译程序、解释程序的区别
- 翻译程序：将高级语言转换为机器语言的软件统称。
- 汇编程序：汇编语言 → 机器语言。
- 编译程序：高级语言 → 汇编/机器语言（一次翻译，生成目标文件）。
- 解释程序：高级语言 → 逐条翻译并立即执行，不生成目标文件。
2. 透明性
- 在计算机中，透明是指“看不到”，即某个事物或属性对某类用户不存在。例如，高级语言程序员看不到浮点数格式，但对机器语言程序员则不透明。IR、MAR、MDR对各类程序员都透明。
3. 字、字长、机器字长、指令字长、存储字长的区别
- 字长（机器字长）：CPU内部整数运算数据通路的宽度。
- 字：用来表示被处理信息的单位，如x86中字=16位。
- 指令字长：一条指令中包含的二进制代码位数。
- 存储字长：一个存储单元中二进制代码的位数。
- 三者可以相等也可以不等，但都是字节的整数倍。
4. 计算机体系结构与计算机组成的区别
- 体系结构（指令集体系结构，ISA）：机器语言或汇编语言程序员所看到的属性（指令集、数据类型、寻址方式等），抽象。
- 计算机组成：如何实现体系结构，包含对程序员透明的硬件细节。例如，是否具备乘法指令是结构问题，如何实现乘法是组成问题。
5. 基准程序执行越快，机器性能越好吗？
- 一般情况下是，但基准程序可能存在频度差异，且可能被针对性优化，因此不能完全代表所有应用。
1.5 复习提示
本章是组成原理的概述，常出选择题，也可能结合后续章节出综合题。重点掌握：
- 冯·诺依曼机的特点（存储程序、五大部件等）。
- 计算机硬件组成（CPU、主存、外设）及各部件的作用。
- 计算机性能指标（主频、CPI、CPU执行时间、MIPS、FLOPS）及其计算。
- 翻译程序（汇编、编译、解释）的区别。
- 软硬件逻辑等价性、系列机、兼容、固件等概念。