计算机系统简介

 计算机系统

• 硬件  计算机实体，如主机、外设
• 软件  具有各类特殊功能的信息（程序）组成

软件

• 系统软件  用来管理整个计算机系统  （语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件）
• 应用软件  按任务需要编制成的各种程序

硬件给软件提供指令集（接口），利用指令集编写程序控制硬件。

从上到下都需要进行转化，比如汇编语言需要转化为机器语言，中间存在转化过程。

 

 

 计算机的组成

 一、冯诺依曼计算机特点

1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，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

 

运算器：算术运算和逻辑运算  （以运算器为中心，比较繁忙，成为计算机的瓶颈）

存储器：存放数据和程序

控制器：指挥程序运行

输入设备：将信息转换成机器能识别的形式

输出设备：将结果转化为人们熟悉的形式

二、计算机硬件框图

1.以存储器为中心的计算机硬件框图

2.现代计算机硬件框图

 

 系统复杂性管理的方法（3y）

• 层次化（hierachy）：将被设计的系统划分成多个模块和子模块
• 模块化（modularity）：有明确的功能和接口
• 规则性（regularity）：模块更容易被重用

三、计算机的工作步骤

（执行命令过程需要哪些功能，解决哪些问题？？？）

问题是否可以通过计算机解决？问题如何通过计算机解决？

1、上机前的准备

• 建立数学模型   u=UmSinwt
• 确定数学方法  sin x = x- x^3/(3!) +x^5/(5!) - x^7/(7!)+...   yn+1=0.5(yn+x/yn)
• 编制解题程序  程序：运算的全部步骤   指令：每一个步骤

计算ax^2+bx+c

• 取 x到运算器中（实际是将其保存到累加器中）
• 乘以x在运算器中  （内存中的数据和累加器中数据做乘法，得出x的平方，保存在acc中）
• 乘以a在运算器中
• 存ax^2在存储器中 （计算bx依然要使用累加器，故需要将ax^2转存）
• 取b至运算器中
• 乘以x在运算器中  （内存单元的数和acc的数做乘法）
• 加ax^2
• 加c在运算器中

指令格式举例

取数：将内存单元保存的数保存到acc中。acc默认，不需要指令指出

指令16位（6位操作码，10位表示内存单元地址）

加法操作：默认一个数保存在acc中，加法结果也默认保存在acc中。

 存储器的结构？如何进行访问？每次访问的数据的位数是多少？

2、计算机的解题过程

1.存储器的基本组成

存储体（大楼） -- 存储单元（房间） -- 存储元件（床位）

• 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置，每个存储单元赋予一个地址
• 按地址寻访

MAR：存储地址寄存器   反映存储单元的个数

MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长 （保存要送入cpu的数据，或者要保存到存储体的数据）

 2.运算器的基本组成和操作过程

（如上面乘法器结果位宽会增加一倍，增加寄存器MQ）MQ寄存器只用于乘除中，且保存的是乘（M）和商（Q）

 加法操作过程

先有输入指令，输入到acc中，保存被加数。

指令中的M是加数。要作加法得先从内存指令m处取出加数到x，然后和acc中的被加数相加。加法结果放到acc中。

 减法操作过程

 乘法操作过程

 除法操作过程

 控制器的基本结构如何？

控制器功能？

• 解释指令  （指从取指、分析、取操作数、执行、保存）
• 保证指令的按序执行

3、控制器的基本组成

完成一条指令

1. 取指令     需要知道地址   PC（寄存器，程序计数器缩写，保存当前要执行指令的地址）  
2. 分析指令  把指令从内存单元取出，到控制单元分析，需要锁存起来  IR 
3. 执行指令  操作控制（比如执行先后？）CU

PC存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1 -----> PC  (这里加1还是加几和机器结构有关)

IR存放当前欲执行的指令

一条指令在主机上如何完成过程？

程序在主机上是如何执行的？

4、逐渐完成一条指令的过程

以取数指令为例

 取指令：

1. PC中的地址给MAR
2. MAR送给存储体
3. 在控制器控制下，存储体把指定存储单元的指令取出到MDR
4. 取出的指令送到IR

分析指令：

在控制单元内部进行，把IR中的指令操作码送给CU，CU的各个信号控制各个部件，执行指令要求

取数操作：把指令当前的地址部分送给存储器，以便把数据取出。

 以存数指令为例

 5、ax^2+bx+c程序的运行过程

• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址----> PC
• 启动程序运行
• 取指令 PC --> MAR --> M --> MDR --> IR   ，  （PC）+1 --> PC
• 分析指令 OP(IR) --> CU
• 执行指令 AD(IP) --> MAR --> M --> MDR --> ACC
• ......
• 打印结果
• 停机

执行完指令后，pc需要调整，由于后面没有对PC寄存器操作，所以可以在取指令后调整PC值

计算机硬件的主要技术指标

1.、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。

2、运算速度 （通过指令运行速度来判断）

• 主频
• 核数，每个核支持的线程数
• 吉普森法
• 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

3、存储容量  存放二进制信息的总位数

主存容量

• 存储单元个数 x 存储字长（如MAR 10 MDR 8 容量 1k*8位）
• 字节数 如2^13b=1 KB

辅存容量

字节数  80GB