# 第一章 计算机系统概论

# 1.1 计算机的分类

# 电子模拟计算机

特点：数值由连续量来表示，运算过程也是连续的

# 电子数字计算机

特点：按位运算，并且不连续地跳动计算。
电子模拟计算机精度和解题能力有限，应用范围较小，习惯上所称的电子计算机，一般是指现在广泛应用的电子数字计算机。又分为专用计算机和通用计算机，

• 专用计算机是最有效、最经济和最快速的计算机，但其适应性很差。
• 通用计算机牺牲了效率、速度和经济性，但其适应性很大。

# 1.2 计算机发展简史 （重点）

自 1946 年计算机诞生至今，大约每五年运算速度提高 10 倍，可靠性提高 10 倍，体积缩小 10 倍。

# 摩尔定律

1965 年，戈登・摩尔（原 Intel 董事长）提出。

晶体管表面积（即刻在集成电路板上的面积）每 18 个月就会缩小大约 50%。换言之，微处理器的性能每隔 18 个月提高一倍，而价格下降一半

# 1.3 计算机的性能指标

# 吞吐量

• 表示一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节 / 秒（B/S）

# 响应时间

• 表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10^-6s）、纳秒（10^-9s）。

# 利用率

• 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。

# 处理机字长

• 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有 8 位、16 位、32 位、64 位。字长越长，表示计算的精度越高。

# 总线宽度

• 一般指 CPU 中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

# 存储器容量

• 存储器中所有存储单元的总数目，通常用 KB、MB、GB、TB 来表示。
• 其中 1K=2¹⁰B，1M=2²⁰B，1G=2³⁰B，1T=2⁴⁰B，1B=8bit（1 个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。

# 存储器带宽

• 存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数 / 秒表示。

# 主频 / 时钟周期

• CPU 的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫 CPU 的主频。
• 度量单位是 MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。 例如 Pentium 系列机为 60MHz～266MHz，而 Pentium 4 升至 3.6GHz。
• 主频的倒数称为 CPU 时钟周期（T），即 T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。

# CPU 执行时间

• 表示 CPU 执行一段程序所占用的 CPU 时间，可用下式计算：

$$CPU执行时间 ＝ CPU时钟周期数 × CPU时钟周期长$$

# CPI

• 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算

• $$CPI= \frac{执行某段程序所需的CPU时钟周期数}{该程序包含的指令条数}$$

# MIPS

• 表示每秒百万条指令数，用下式计算

$$MIPS = \frac{指令条数}{程序执行时间\times10^6} = \frac{时钟频率}{CPI\times10^6}$$

• MIPS 是单位时间内的执行指令数，所以 MIPS 值越高，说明机器速度越快。
  程序执行时间 Te 为：

$$Te= \frac{指令条数}{MIPS×10^6}$$

# MFLOPS / TFLOPS

• MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算

$$MFLOPS= \frac{程序中的浮点操作次数}{程序执行时间\times10^6}$$

• MFLOPS 是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。TFLOPS 表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。

# 1.4 冯・诺依曼体系结构（重点）

冯・诺依曼计算机基本设计思想：存储程序和程序控制！
拥有以下特点

1. 由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。
2. 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中（哈佛结构放在不同存储器中），指令和数据都可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
3. 数据以二进制数码表示。
4. 指令由操作码和地址码组成。
5. 指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器（PC） 指明要执行的指令所在单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。
6. 机器以运算器为中心，I/O 设备与存储器间数据传送都通过运算器。

# 1.5 计算机系统的层次结构

计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计。

# 层次结构的特点

• 每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持
• 第 1 级～第 3 级所用语言基本为二进制语言，机器执行和解释容易
• 第 4 级、第 5 级采用符号语言， 有利于不了解硬件的人使用计算机
• 级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方便；

# 第 1 级 微程序设计级

第 1 级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。

# 第 2 级 一般机器级

第 2 级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。

# 第 3 级 操作系统级

第 3 级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广叉指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。

# 第 4 级 汇编语言级

第 4 级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。

# 第 5 级 高级语言级

第 5 级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。