第一章《計算機系統概論》

計算機系統簡介

計算機的軟硬件概念

• 計算機由硬件和軟件兩大部分組成
• 硬件：計算機的實體，如主機，外部設備
• 軟件：由具有各類特殊功能的信息（程序）組成

計算機系統的層次結構

計算機組成和計算機體系結構

• 計算機體系結構：程序員所見到的計算機系統的屬性概念性的結構與功能特性（指令系統、數據類型、尋址技術、 I/O機理）
  
• 計算機組成：實現計算機體系結構所體現的屬性（具體指令的實現）

計算機的基本組成

馮·諾依曼計算機的特點

• 計算機由運算器，存儲器，控制器，輸入設備和輸出設備五大部件組成
• 指令和數據以同等地位存放於存儲器內，並可按地址尋訪
• 指令和數據均用二進制數表示（二進制碼）
• 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作數在存儲器中的位置
• 指令在存儲器內按順序存放。通常，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序
• 機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器的數據傳送通過運算器完成

計算機的硬件框圖

• 馮·諾依曼計算機（以運算器為中心）
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•  虛線表示控制和狀態反饋，實線表示數據通路
  運算器為中心，成為計算機發展的瓶頸，因為運算器過於繁忙

• 現代計算機（以存儲器為中心）
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系統復雜性管理的方法（3'y）

• 層次化（Hierachy）:將被設計的系統划分為多個模塊或子模塊
• 模塊化（Modularity）:有明確定義的功能和接口
• 規則性（regularity）:模塊更容易被重用

各部件功能如下 

• 運算器用來完成算術運算和邏輯運算，並將運算的中間結果暫存在運算器內
• 存儲器用來存放數據和程序
• 控制器用來控制，指揮程序和數據的輸入，運行以及處理運算結果
• 輸入設備用來將人們熟悉的信息形式轉換為機器能識別的信息形式，常見的有鍵盤，鼠標等
• 輸出設備可將機器運算結果轉換為人們熟悉的信息形式，如打印機輸出，顯示器輸出等
• 運算器和控制器在邏輯關系和電路結構上聯系十分緊密，因此這兩大部件集成在同一芯片上，統稱中央處理器（CPU）
• 輸入與輸出設備簡稱：I/O設備
• 現代計算機可認為由三大部分組成：CPU,I/O設備，主存儲器（MM）
• CPU與主存儲器又可合稱主機，I/O設備又可稱為外部設備
• 主存是存儲子系統中的一類，用來存放程序和數據，可以直接與CPU交換信息。另一類稱為輔助存儲器，簡稱輔存，又稱外存
• 算術邏輯單元（ALU）簡稱算邏部件，用來完成算術邏輯運算
• 控制單元（CU）用來解釋存儲器中的指令，並發出各種操作命令來執行指令
• ALU和CU是CPU的核心部件
• I/O設備也受CU控制，用來完成相應的輸入，輸出操作

計算機的工作步驟（例：計算正弦交流電的實時電壓）

計算機的工作過程

 

描述：首先PC存放執行的指令的地址，將PC中的值送到MAR中，取指令，存儲體將對應地址放入MDR中，MDR將取出的數據放入IR中，IR將指令放入控制單元CU中，CU輸出指令到CPU中，控制單元根據指令的結構，來判斷是否需要取出指令中的操作數，如果要就將IR中的操作數部分傳入MAR，取操作數MDR將操作數放入ACC中，控制單元在更具指令進行對應的運算。這里主要的操作是讀取內存的操作 

描述：首先PC存放執行的指令的地址，將PC中的值送到MAR中，取指令，存儲體將對應地址放入MDR中，MDR將取出的數據放入IR中，IR將指令放入控制單元CU中，CU輸出指令到CPU中，控制單元根據指令的結構，來判斷是否需要將數據寫入內存中，如果需要，將IR中的操作數部分傳入MAR中，再將ACC中的數據傳入MDR中，再寫入存儲體中
計算機硬件的主要技術指標

機器字長

• CPU一次能處理數據的位數，

 存儲容量

• 存儲容量=存儲單元個數×存儲字長
• MAR的位數反映了存儲單元的個數，MDR的位數反映了存儲字長
• 例如MAR為16位，2¹⁶為：65536，表示該存儲體有65536個存儲單元（64K,1K=1024=2¹⁰）
• MDR為32位，表示存儲容量為2¹⁶×32=2M(1M=2²⁰)
  
• 輔存容量通常用字節數表示，例如，容量為80GB(1G=1024M=2¹⁰×2²⁰=2³⁰)

運算速度

T_M為機器運行速度,f_i為第i種指令占全部操作的百分比數，t_i為第i種指令的執行時間