计算机系统
组成
\[计算机系统
\begin{cases}
硬件 &\text 计算机的实体，如主机、外设等\\
软件 &\text 由具有各类特殊功能的信息（程序）组成
\end{cases}
\]
\[软件
\begin{cases}
系统软件 & \text 用来管理整个计算机系统\\
&\text 语言处理程序\\
&\text 操作系统\\
&\text 服务性程序\\
&\text 数据库管理软件\\
&\text 网络软件\\
应用软件 &\text 按任务需要编制成的各种程序
\end{cases}
\]
计算机系统的层次结构
系统复杂性管理的方法
抽象
- 对于一个过程或者一件制品的某些细节有目的的隐藏，以便把其他方面、细节或者结构表达得更加清楚
- 指高级得模型和低级得实体相对
- 隐藏系统中不重要的细节
抽象出的计算机系统的层次结构
计算机体系结构和计算机组成
研究内容上的区别
\[\begin{cases}
计算机体系结构 & 程序员所见的计算机系统的属性\\
& 概率性的结构与功能特性\\
& （指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）\\
&\\
计算机组成 & 实现计算机体系结构所体现的属性\\
& （具体指令的实现）
\end{cases}
\]
\[\begin{cases}
计算机体系结构 & 有无乘法指令\\
计算机组成 & 如何实现乘法指令
\end{cases}
\]
计算机的基本组成
计算机硬件框图
冯诺依曼计算机硬件
以存储器为中心的计算机硬件
现代计算机硬件
\[硬件
\begin{cases}
主机 &\begin{cases}CPU & \begin{cases}运算器 & ALU\\控制器 & CU\\\end{cases}\\存储器 &\begin{cases}主存\\辅存\end{cases}\end{cases}\\I/O 设备 &\begin{cases}输入设备\\输出设备\end{cases}
\end{cases}
\]
系统复杂性管理的方法——3‘Y
- 层次化：将被设计的系统划为多个模块或子模块
- 模块化：有明确定义的功能和接口
- 规则性：模块更容易被重用
计算机的工作步骤
上机的准备
- 建立数学模型
- 确定计算方法
- 编制程序
- 程序 —— 运算的全部步骤
- 指令 —— 每一个步骤
程序的解题过程
存储器的基本组成
\[主存储器
\begin{cases}
存储体 \\
MAR & 存储器地址寄存器（反应存储单元的个数）\\
MDR & 存储器数据寄存器（反映存储字长）
\end{cases}
\]
- 存储单元：存放一串二进制代码
- 存储字：存储单元中二进制代码的组合
- 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
- 按地址寻访：每个存储单元赋予一个地址号
运算器的基本组成及操作过程
\[\begin{array}{|c|c|c|}
\hline& ACC & MQ & X \\
\hline
加法 & 被加数 \quad 和 & & 加数\\
\hline
减法 & 被减数 \quad 差 & & 减数\\
\hline
乘法 & 乘积高位 & 乘数 \quad 乘积低位 & 被乘数\\
\hline
除法 & 被除数 \quad 余数 & 商 & 除数\\
\hline
\end{array}
\]
控制器
功能
- 解释指令
- 保证指令的按序执行
基本组成
\[控制器
\begin{cases}
CU \\
IR \\
PC
\end{cases}
\]
\[完成一条指令
\begin{cases}
取指令 & PC（存放当前欲执行指令的地址）\\
分析指令 & IR（存放当前欲执行的指令）\\
执行指令 & CU
\end{cases}
\]
运算器、控制器和存储器构成了什么？
- 一条指令在主机上的完成过程
- 程序在主机上是如何执行的
主机完成一条指令的过程（以取数指令为例）
计算机硬件的主要技术指标
机器字长
CPU 一次能处理数据的位数，与 CPU 中的 寄存器位数 有关
运算速度
\[运算速度
\begin{cases}
主频\\
核数 & 每个核支持的线程数\\
吉普森法 & T_M = \sum_{i=1}^{n}f_i t_i\\
CPI & 执行一条指令所需时钟周期数\\
MIPS & 每秒执行百万条指令\\
FLOPS & 每秒浮点运算次数
\end{cases}
\]
存储容量
存放二进制信息的总位数
\[存储容量
\begin{cases}
主存容量 & \begin{cases}存储单元个数 \times 存储字长\\\quad如 \quad MAR = 10,MDR = 8\\\quad 则 \quad 容量 = 1K \times 8位 （1K = 2^{10}）\\\\字节数\end{cases}\\
辅存容量 & 字节数
\end{cases}
\]
