计算机系统

组成

$$计算机系统\{\begin{array}{ll}硬件& \text{计}算机的实体，如主机、外设等\\ 软件& \text{由}具有各类特殊功能的信息（程序）组成\end{array}$$
$$软件\{\begin{array}{ll}系统软件& \text{用}来管理整个计算机系统\\ & \text{语}言处理程序\\ & \text{操}作系统\\ & \text{服}务性程序\\ & \text{数}据库管理软件\\ & \text{网}络软件\\ 应用软件& \text{按}任务需要编制成的各种程序\end{array}$$

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

$$\{\begin{array}{ll}计算机体系结构& 程序员所见的计算机系统的属性\\ & 概率性的结构与功能特性\\ & （指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）\\ & \\ 计算机组成& 实现计算机体系结构所体现的属性\\ & （具体指令的实现）\end{array}$$
$$\{\begin{array}{ll}计算机体系结构& 有无乘法指令\\ 计算机组成& 如何实现乘法指令\end{array}$$

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

$$硬件\{\begin{array}{ll}主机& \{\begin{array}{ll}CPU& \{\begin{array}{ll}运算器& ALU\\ 控制器& CU\end{array}\\ 存储器& \{\begin{array}{l}主存\\ 辅存\end{array}\end{array}\\ I/O设备& \{\begin{array}{l}输入设备\\ 输出设备\end{array}\end{array}$$

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

1. 建立数学模型
2. 确定计算方法
3. 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

$$主存储器\{\begin{array}{ll}存储体& \\ MAR& 存储器地址寄存器（反应存储单元的个数）\\ MDR& 存储器数据寄存器（反映存储字长）\end{array}$$

• 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

$$\begin{array}{cccc}& ACC& MQ& X\\ 加法& 被加数和& & 加数\\ 减法& 被减数差& & 减数\\ 乘法& 乘积高位& 乘数乘积低位& 被乘数\\ 除法& 被除数余数& 商& 除数\end{array}$$

控制器

功能

• 解释指令
• 保证指令的按序执行

基本组成

$$控制器\{\begin{array}{l}CU\\ IR\\ PC\end{array}$$
$$完成一条指令\{\begin{array}{ll}取指令& PC（存放当前欲执行指令的地址）\\ 分析指令& IR（存放当前欲执行的指令）\\ 执行指令& CU\end{array}$$

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

$$运算速度\{\begin{array}{ll}主频& \\ 核数& 每个核支持的线程数\\ 吉普森法& T_M={\sum }_{i=1}^n{f}_i{t}_i\\ CPI& 执行一条指令所需时钟周期数\\ MIPS& 每秒执行百万条指令\\ FLOPS& 每秒浮点运算次数\end{array}$$

存储容量

存放二进制信息的总位数
$$存储容量\{\begin{array}{ll}主存容量& \{\begin{array}{l}存储单元个数\times 存储字长\\ 如MAR=10,MDR=8\\ 则容量=1K\times 8位（1K=2^{10}）\\ \\ 字节数\end{array}\\ 辅存容量& 字节数\end{array}$$