本篇技术博文摘要 🌟
- 本文第一章围绕“计算机系统概述”展开，系统阐述了计算机的基本概念、发展脉络、体系结构与性能评价。内容主要分为三部分：首先回顾计算机硬件与软件的发展历程，包括摩尔定律及当前趋势；
- 其次深入剖析计算机系统的层次结构，涵盖硬件组成、工作原理、冯·诺依曼体系、软件分类以及“存储程序”的工作方式；
- 最后介绍了衡量计算机性能的各类指标，包括存储器、CPU及系统整体的性能参数。本章旨在建立对计算机系统整体框架和工作原理的初步认识，为后续学习奠定基础。
引言 📘
- 在这个变幻莫测、快速发展的技术时代，与时俱进是每个IT工程师的必修课。
- 我是盛透侧视攻城狮，一名什么都会一丢丢的网络安全工程师，也是众多技术社区的活跃成员以及多家大厂官方认可人员，希望能够与各位在此共同成长。
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本篇技术博文摘要 🌟
引言 📘
上节回顾
第一章 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
1.1.2微处理器的发展
1.1.3计算机硬件的发展：
摩尔定律
1.1.4 计算机软件的发展
1.1.5 目前的发展趋势
1.1.6知识回顾与重要考点
1.2 计算机系统层次结构
1.2.1计算机系统的组成
1.2.2 计算机硬件的基本组成
1.2.3各个硬件的工作原理
主存储器的基本组成
运算器的基本组成
控制器的基本组成
计算机的工作过程(手动模拟一遍即可)
知识回顾与重要考点
1.2.4早期和如今的计算机体系结构
早期的冯·诺依曼机
如今的计算机体系结构：以存储器为中心
1.2.5计算机软件
系统软件和应用软件
三种级别的语言
软件和硬件的逻辑功能等价性
知识回顾与重要考点
1.2.6计算机系统的多级层次结构
1.2.5 计算机系统的工作原理
从C语言源程序到可执行文件
计算机系统的工作原理
“存储程序”工作方式
知识回顾与重要考点
1.3 计算机的性能指标
1.3.1存储器的性能指标
1.3.2CPU的性能指标
1.3.3系统整体的性能指标
动态测试
疑问
1.3.4回顾取数指令
1.3.5回顾乘法指令
1.3.6知识回顾与重要考点
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第一章 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![]()
1.1.2微处理器的发展
计算机系统=硬件+软件
1.1.3计算机硬件的发展：![]()
- 第一代计算机：(使用电子管)，
- 第二代计算机：(使用晶体管)，
- 第三代计算机：(使用较小规模的集成)，
- 第四代计算机：(使用较大规模的集成)，
摩尔定律![]()
1.1.4 计算机软件的发展
- 计算机软件技术的发展，促进计算机系统的发展。
- 计算机语言的发展经历了面向机器的机器语言和汇编语言、面向问题的高级语言。其中高级语言的发展真正促进了软件的发展，它经历了从科学计算和工程计算的 FORTRAN、结构化程序设计的 PASCAL到面向对象的C++和适应网络环境的Java。
- 同时，直接影响计算机系统性能提升的各种系统软件也有了长足的发展，特别是操作系统，如 Windows、UNIX、 Linux等。
1.1.5 目前的发展趋势![]()
可以分为：
- 电子模拟计算机和电子数字计算机。
数字计算机又可以按照用途分为：
- 专用计算机和通用计算机
- 通用计算机又分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机6类。
按照指令和数据流可以分为：
- 单指令流和单数据流系统（SISD），即传统的冯·诺依曼体系结构。
- 单指令流和多数据流系统（SIMD），包括阵列处理器和向量处理器系统。
- 多指令流和单数据流系统（MISD），这种计算机实际上不存在。
- 多指令流和多数据流系统（MIMD），包括多处理器和计算机系统。
1.1.6知识回顾与重要考点
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建起来
1.2.2 计算机硬件的基本组成
1.2.3各个硬件的工作原理
主存储器的基本组成![]()
存储器，存储器分为主存储器(内存储器，CPU能直接访问)和 辅助存储器(外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问)。
主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器既可以既可以按照地址寻址，又可以按照内容寻址，为了与传统存储器区别，又称为内容寻址的存储器！)
主存储器是由地址寄存器(MAR)，数据寄存器(MDR)，存储体，时序控制逻辑，地址寄存器存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器，是存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息。时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。在现代CPU，MAR和MDR是在CPU中的。
运算器的基本组成![]()
运算器，是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算
- 运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)
控制器的基本组成![]()
控制器，控制器是计算机的指挥中心，有其指挥各部件自动协调第进行工作，现代计算机将运算器和控制器集成到一个芯片上，合成为中央处理器，简称CPU。有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)。
- CPU详解
- 一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。
- 如上图所示：CPU包含ALU、通用寄存器组GPRs、标志寄存器、控制器、指令寄存器IR、程序计数器PC、存储器地址寄存器MAR和存储器数据寄存器MDR。图中从控制器送出的虚线就是控制信号，可以控制如何修改PC以得到下一条指令的地址，可以控制ALU执行什么运算，可以控制主存是进行读操作还是写操作(读/写控制信号)。
- CPU和主存之间通过一组总线相连，总线中有地址、控制和数据3组信号线。MAR中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元；控制线中有读/写信号线，指出数据是从CPU写入主存还是从主存读出到CPU,根据是读操作还是写操作来控制将MDR中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到MDR中。
计算机的工作过程(手动模拟一遍即可)![]()
- IR存放当下欲执行的指令；PC存放下一条指令的地址；
- MAR存放欲访问的存储单元地址；MDR存放从存储单元取来的数据！
- 地址译码器是主存的构成部分，不属于CPU；地址寄存器虽然一般属于主存，但是现代计算机中绝大多数CPU内集成了地址寄存器！
- 关于CPU存取速度的比较：寄存器（CPU内部）> Cache(高速的SRAM) > 内存 （SDRAM）
- 计算机的工作过程叙述如下：
- 首先PC将指令地址发送给MAR，MAR根据地址在存储体中找到指令数据存放在MDR中，之后MDR将指令存放在IR中，取指令结束，之后指令中的操作码进入CU中，地址码重复上述取指令步骤，将数据发送到ACC中，执行指令结束。注意区分指令和数据的依据:指令周期的不同阶段
知识回顾与重要考点![]()
1.2.4早期和如今的计算机体系结构
早期的冯·诺依曼机
美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出“程序存储”的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“现代计算机之父”。
什么是存储程序原理？按此原理，计算机应具有哪几大功能？
“程序存储”：指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。即按地址访问并顺序执行指令
计算机按照此原理应具有5大功能：数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能
- 冯诺曼体系结构特点:
- 计算机硬件系统由五大部件组成(存储器、运算器、控制器、输出设备、输入设备)
- 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
- 指令和数据用二进制表示
- 指令由操作码和地址码组成
- 存储程序
- 以运算器为中心
- 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，且是单处理机，最根本的特征是采用“存储程序”原理，基本工作方式是控制流驱动方式！
如今的计算机体系结构：以存储器为中心
- 现代计算机的结构
1.2.5计算机软件
系统软件和应用软件![]()
计算机软件，一般分为系统软件和应用软件
系统软件包括 操作系统，数据库管理系统，语言处理系统(比如编译器)，分布式软件系统，网络软件系统，标准库系统，服务性系统(比如连接程序)。
应用软件包括各种科学计算类程序，工程设计类程序，数据统计与处理程序。
注意：
数据库管理系统和数据库系统是有区别的。数据库管理系统是系统软件。而数据库系统一般是由数据库，数据库管理系统，数据库管理员和应用系统构成。所以只能说它里面有系统软件，但并不能说它为系统软件。
三种级别的语言![]()
1)机器语言。又称二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的二进制编码。机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
2)汇编语言。汇编语言用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。使用汇编语言编辑的程序，必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。
3)高级语言。高级语言(如C、C++、Java等)是为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。通常高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。
- 补充
由高级语言转换到汇编语言的过程叫做编译，由汇编语言转换到机器语言的过程叫做汇编，边翻译边执行的叫做解析。
机器语言是唯一可以控制cpu的语言，因为它的符号不利于人识别和书写，为了方便理解和记忆，将机器语言换一些通俗易懂的符号，这就变成了汇编语言。一般来说在在编译器中高级语言先转换为汇编在转换为机器语言，也有直接转换为机器语言的情况。
机器语言是计算机唯一可以直接执行的语言，汇编语言用助记符编写，以便记忆。而正则语言是编译原理中符合正则文法的语言。
解释程序的特点是翻译一句执行一句，边翻译边执行：由高级语言转化为汇编语言的过程称为编译，把汇编语言源程序翻译成机器语言程序的过程称为汇编。
软件和硬件的逻辑功能等价性![]()
知识回顾与重要考点![]()
1.2.6计算机系统的多级层次结构
1.2.5 计算机系统的工作原理
从C语言源程序到可执行文件
计算机系统的工作原理
“存储程序”工作方式
知识回顾与重要考点
1.3 计算机的性能指标
1.3.1存储器的性能指标
机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么？
- 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
- 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。
- 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数， 它们都必须是字节的整数倍。
- 数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。
- 指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。
- 早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。
- 注意:
- 64位操作系统是指特别为64位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用64位处理器的优势。
- 但64位机器既可以使用64位操作系统，又可以使用32位操作系统。
- 而32位处理器是无法使用64位操作系统的。
- 主存容量
- MAR的位数反映存储单元的个数，如MAR为16位，表示存储单元为216 = 64K;若MDR为32位，则存储容量为216x32.
1.3.2CPU的性能指标
CPU时钟周期。通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期。
主频(CPU时钟频率)。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。
- CPU周期又称为机器周期，由多个时钟周期组成！
- 指令周期>CPU周期>时钟周期
- CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间。
- CPU执行时间 =CPU时钟周期数/主频 = (指令条数xCPI)/主频
- CPU的性能取决于三个要素:主频、CPI 、指令条数
IPS(Instructions Per Second) =主频/平均CPI，每秒执行多少指令
MIPS(Million Instructions Per Second)=即每秒执行多少百万条指令。
MFLOPS(Mega Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x10^6),即每秒执行多少百万次浮点运算。
GFLOPS(Giga Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x10^9)，即每秒执行多少十亿次浮点运算。
TFLOPS(Tera Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x10^12)，即每秒执行多少万亿次浮点运算。
1.3.3系统整体的性能指标
动态测试![]()
疑问![]()
1.3.4回顾取数指令
1.3.5回顾乘法指令
1.3.6知识回顾与重要考点![]()
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