计算机组成原理---第1章 计算机系统概述

第一章 计算机系统概述

1.1 计算机的基本概念

1. 电子计算机概念

2. 五个逻辑模块及其相互关系
   

   

1.1.1 信息的数字化表示

1. 在计算机中用数字代码（二进制代码）表示各种信息
2. 在物理机制上用数字信号（数字型电信号）表示数字代码
3. 信息数字化表示的优点
   • 物理上易实现信息的表示与储存
   • 抗干扰能力强，可靠性高
   • 数值表示范围大，精度高
   • 可表示的信息类型广泛
   • 能用数字逻辑技术进行处理

1.1.2 储存程序工作方式

1. 编制程序
2. 储存程序
3. 自动、连续执行程序
4. 输出结果

1.1.3 计算机的分类

• 总体上分为两大类：模拟计算机和数字计算机

  各自特点：

  • 模拟计算机：有模拟运算器件构成，处理在时间和数值上连续的模拟量（如电压、电流等）
  • 数字计算机：由数字逻辑器件构成，处理离散的数字量

  数字计算机分为：专用计算机和通用计算机

  • 专用机：以快速、经济和高集成度为只要指标的特殊计算机，针对特定任务设计，适应性较差（如：工控机，ATM等）
  • 通用机：适应性较高。到那时牺牲了效率、速度和经济性（如：个人电脑）

• 按照系统规模和计算能力可分为：

  • 巨型机（超算）
  • 大型机
  • 小型机
  • 微型机

  系统规模和计算能力依次递减

  

1.2 计算机的诞生和发展

计算机之父：冯·诺依曼

1.2.1 冯·诺依曼体系

1. 用二进制代码表示程序和数据
2. 采用储存程序（将程序和数据存储起来）的工作方式（核心思想）
3. 现代计算机硬件组成
   • 储存器
   • 运算器
   • 控制器
   • 输入设备
   • 输出设备

奠定了现代电子计算机的理论基础

冯·诺依曼计算机的特点：

1. 计算机由运算器，存储器，控制器，输入设备和输出设备五大部分组成
2. 指令和数据以同等地位存放与存储器内，并可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为中心

冯.诺依曼计算机硬件框图

1.2.2 计算机的发展历程

未来的发展趋势

• 巨型化
• 微型化
• 多媒体化
• 网络化
• 智能化

1.3 计算机系统的组织

1.3.1 计算机的硬件系统组成

1. 硬件系统的基本组成模型

   

   主要功能部件：

   1. CPU：主要由运算器、控制器等部件组成

      • 运算器

        1. 功能：完成算数和逻辑运算
        2. 组成特点：
           • 主要由ALU（算数逻辑单元）构成，执行算术、逻辑运算以及位移循环等操作
           • CPU功能的主要执行部件
           • ALU以全加器为核心，具有多种运算功能
           • 运算位数越多，计算精度越高，器件越复杂
           • 运算器的数据宽带一般是：8位、16位、32位、64位

      • 控制器

        1. 功能：产生控制命令（微命令），控制全机操作

        2. 基本组成：

           

   2. 存储器

      功能：存储数据和数字化后的程序

      【注意】不论是数据，还是程序，存储器存储的群都是用0或1表示的二进制代码

      存储器的几个基本概念

      • 存储单元：一般应具有存储数据和读写数据的功能，以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。

      • 地址：存储器由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址

      • 存储容量：存储器所有存储单元的总数

      • 内存储器：即主存（内存），是一种用来直接为CPU提供服务的程序二号数据存储器

        （半导体存储芯片构成，特点：速度快，存储容量比外存小）

      • 外存储器：即辅存，为计算机配备的储存容量很大的辅助存储器

        （磁盘存储器，光盘存储器等，特点：存储容量大，价格便宜，速度慢）

   3. 输入/输出设备

      功能：执行输入/输出信息的转换

      输入时：原始信息--->二进制代码，送入主机

      输出时：处理结果（二进制代码）--->用户能够直接感知的信息（字符、图像、声音），并输出给用户

   4. 总线

      能为多个部件分时共享的一组信息传送通路

      根据传送信息不同分为三类：

      • 数据总线：传送各种数据信息
      • 地址总线：传送各种地址信息
      • 控制总线：传送各种控制信号

   5. 接口

      将总线与各种外设连接，切具有转换、连接等功能的部件

      

1.3.2 计算机架构

1. 微型计算机：南-北桥架构

   

2. 小型计算机：多处理器架构

   

3. 超级计算机：集群式分布

   

   

4. 多处理机系统的特点

   特点：由多处理器CPU构成

   根据处理器之前紧密程度，分为：

   • 紧密偶合型多机系统

     

   • 松散偶合型多机系统

     

1.3.2 软件系统

软件类别：系统程序和应用程序

• 系统程序：负责系统调度管理，提供运行和开发环境、各种服务，确保系统运行良好
• 应用程序：利用计算机来解决问题所编制的程序

1.3.3 硬、软件系统层次结构

计算机系统是一个有多层次的软件+硬件组成的系统

基本结构图：

1.3.4 软件与硬件的逻辑等价

• 软件的特点：

  易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约

• 硬件的特点：

  可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约

计算机中的软件，理论上都可以“固化”或“硬化”成硬件，以高执行速度;

1.4 计算机系统的性能指标

1. 基本字长

   • 一次数据操作的基本位数
   • 影响计算的精度、指令的功能

2. 外频

   概念：外部频率或基频，也叫系统时钟频率

   

3. 常用的CPU性能指标

   1. CPU的主频=外频x倍频系数

   2. IPS，每秒钟执行指令数

   3. CPI，每条计算机指令执行所需的时钟周期

   4. FLOPS，每秒只想浮点运算的次数、

   5. CPU的功耗

      • 动态功耗

        P=C×U²×f

        （C:负载电容；U：工作电压；f：工作频率）

      • 静态功耗

4. 数据传输率

   

   物理含义：单位时间内数据传输量

   【注意】计算PCI-E总线的带宽时，一般还要考虑编码方式、单双工模式和通道路数等

5. 存储器的容量

   • 内存（主存）容量

     指可编址的储存单元个数（取决于地址码位数）×储存单元位宽（表明编址单位）

   • 外存（辅存）容量

     指存储器能存储的最大数据量

     外存容量与总线地址码的位数无关