『计算机组成原理』 计算机系统概述（考研、面试必备）

• • • 一、考研大纲
    • • 1. 计算机发展的历程
      • 2.计算机的层次结构
      • • 计算机系统的基本组成
        • 计算机硬件的基本组成
        • 计算机的软件与硬件的关系
        • 计算机的工作过程（指令执行的过程）
      • 3.计算机的性能指标 ==（重点）==
    • 二、计算机发展历程
    • • 1.计算机硬件的发展
      • 2. 计算机的分类
      • • 按用途划分
        • 按照计算机性能
        • 按指令和数据流分类
      • 3. 一个概念
    • 三、计算机的层次结构
    • • 1. 计算机系统的基本组成
      • 2.计算机硬件基本组成
      • • 1.存储器
        • • 1.存储器相关概念
          • 2.公式化的解题步骤
        • 2.运算器（后面章节会讲，先了解有这么个东西）
        • 3.控制器（后面章节会讲，先了解有这么个东西）
        • 4.I/O设备（后面也会详细讲，暂时不提了）
        • 5. 五大部件之间的工作流程:
      • 3. 计算机软件的分类
      • • 1.系统软件
        • 2. 应用软件
        • 补充：编程语言
      • 4. 计算机工作过程 （要会讲，不必原文背诵，说个大概就行）
      • 5. 计算机系统的层次结构
    • 四、计算机性能指标
    • • 1.吞吐量
      • 2.响应时间(RT)
      • 3.CPU时钟周期和主频
      • 4.CPI （每条指令执行平均时间）
      • 5.CPU执行时间
      • 6.MIPS 每秒处理多少（百万级的指令条数）
      • 7.FLOPS/MFLOPS/GFLOPS/TFLOPS/PFLOPS/EFLOPS
      • 8.CPU利用率
      • 9.处理机字长
      • 10.总线带宽
      • 部分内容参考百度百科
      • 11. 考研题目

一、考研大纲

1. 计算机发展的历程

2.计算机的层次结构

• 计算机系统的基本组成

• 计算机硬件的基本组成

• 计算机的软件与硬件的关系

• 计算机的工作过程（指令执行的过程）

3.计算机的性能指标 （重点）

这一章的考点主要是集中在计算机的性能指标，前面部分的发展历程也是简单的考察点，计算机的层次结构的概念要记清楚，在后面的章节中会详细讲解一部分的知识，所以对于一些概念无需深究，等学完所有的知识后再来看第一章，就会明白很多。

二、计算机发展历程

1.计算机硬件的发展

1. 第一代计算机（1946-1957）电子管时代
   特点：①电子管作为开关器件 ② 使用机器语言 ③可以存储信息 ④输入/出缓慢
   ⑤ 采用冯·诺依曼体系结构
2. 第二代计算机（1958-1964）晶体管时代
   特点：①晶体管替代电子管 ② 采用磁芯存储器 ③ 采用汇编语言取代机器语言
   ④ 采用冯·诺依曼体系结构
3. 第三代计算机 （1965-1971）中小规模集成电路
   特点: ①中小规模集成电路替代晶体管 ② 操作系统问世
   ③ 采用冯·诺依曼体系结构
4. 第四代计算机 （1972年至今）超大规模集成电路时代
   特点：①采用集成度很高的电路 ②微处理器问世
   ③ 采用冯·诺依曼体系结构
5. 有点印象即可
   第五代计算机 智能计算机 ：①具有人工智能，类似人的思维 ②运算速度快 ③ 软件系统能够出里知识信息等。
   第六代计算机 生物计算机与量子计算机 ：未来计算机的发展趋势和方向，一旦成熟将颠覆现有的技术。

冯诺依曼体系结构

• 计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示
• 指令和数据以同等的地位存储在存储器内，并可以通过地址访问
• 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
• 顺序执行程序
  计算机运行过程中，把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器（内存），计算机执行程序时，将自动地并按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行，这一概念称作顺序执行程序。
• 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
• 机器以运算器为核心，I/O设备与存储器之间的数据传输通过 运算器完成

2. 计算机的分类

按用途划分

1. 通用计算机
   通用计算机是面向多种应用领域和算法的计算机。其特点是它的系统结构和计算机软件能适合不同用户的需求，一般的计算机多属此类。
2. 专用计算机
   专用计算机是针对某一特定应用领域或面向某种算法而专门设计的计算机。其特点是系统结构及专用软件对所指定的应用领域是高效的，对其他领域则效率低甚至无效。一般在过程控制中使用的工业控制机、卫星图像处理用的并行处理机属于此类。

按照计算机性能

要求：理解概念

1. 巨型机
   巨型机又称超级计算机(Super Computer)，它是所有计算机中性能最高、功能最强、速度极快、存储量巨大、结构复杂、价格昂贵的一类计算机。其浮点运算速度目前已达每秒千万亿次。目前多用在国防、航天、生物、气象、核能等国家高科技领域和国防尖端技术中。我国研制成功的银河系列机、曙光系列机、深腾系列机就属于巨型机，特别是2009年10月“天河一 ”的研制成功，中国高性能计算机的峰值性能提升到了每秒1206万亿次。
2. 大型机 Mainframe
   大型机是计算机中通用性能最强，功能、速度、存储量仅次于巨型机的一类计算机，国外习惯上将其称为主机(Mainframe)。大型机具有比较完善的指令系统和丰富的外部设备，很强的管理和处理数据的能力，一般用在大型企业、金融系统、高校、科研院所等。
3. 中型机 Midrange
   介于 大小型机之间的，但是概念到如今都对应小型机。
4. 小型机 Mini
   小型机(Mini Computer)是计算机中性能较好、价格便宜、应用领域非常广泛的一类计算机。其浮点运算速度可达每秒几千万次。小型机结构简单、使用和维护方便，备受中小企业欢迎，主要用于科学计算、数据处理和自动控制等。
5. 微型机 Personal
   微型机也称为个人计算机(Personal Computer，简称PC)，是应用领域最广泛、发展最快、人们最感兴趣的一类计算机，它以其设计先进(总是率先采用高性能微处理器)、软件丰富、功能齐全、体积小、价格便宜、灵活、性能好等优势而拥有广大的用户。目前，微型机已广泛应用于办公自动化、信息检索、家庭教育和娱乐等。
6. 单片机 Microcontrollers
   单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

按指令和数据流分类

1. 单指令单数据流（SISD，Single Instruction Single Data)
   SISD机器是一种传统的串行计算机，它的硬件不支持任何形式的并行计算，所有的指令都是串行执行。并且在某个时钟周期内，CPU只能处理一个数据流。传统的冯诺依曼体系结构
2. 单指令多数据流 ( SIMD, Single Instruction Multiple Data)
   SIMD是采用一个指令流处理多个数据流。这类机器在数字信 处理、图像处理、以及多媒体信息处理等领域非常有效，包括阵列处理器、向量处理器系统。
3. 多指令流单数据流机器（MISD）
   MISD是采用多个指令流来处理单个数据流。由于实际情况中，采用多指令流处理多数据流才是更有效的方法，因此MISD只是作为理论模型出现，因此实际不存在此类计算机。
4. 多指令流多数据流机器（MIMD）
   MIMD机器可以同时执行多个指令流，这些指令流分别对不同数据流进行操作。 Intel和AMD的4核心 8核心等处理器等都属于MIMD。包括多处理器和多计算机系统。

3. 一个概念

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度 [1] 。尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，摩尔定律仍应该被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。

三、计算机的层次结构

1. 计算机系统的基本组成

例：

2.计算机硬件基本组成

1.存储器相关概念

汇编程序也是一种语言翻译程序，它把汇编语言源程序翻译成机器语言程序。

编译程序与汇编程序的区别：如果源语言是诸如C、C++、Java等“高级语言”，而目标语言是诸如汇编语言或机器语言之类的“低级语言”，这样的一个翻译程序称为编译程序。如果源语言是汇编语言，而目标语言是机器语言，这样的一个翻译程序称为汇编程序。
引用博主CMTSA 地址：https://blog.csdn.net/IWGoo/article/details/85528562

4. 计算机工作过程 （要会讲，不必原文背诵，说个大概就行）

计算机在运行时，不断的执行：
先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下各部件完成各种操作。
一直进行下去。直至遇到停止指令

5. 计算机系统的层次结构

部分资料又说5个层次，又说6个层次，有说7各层次的，我们都来说一下。

M0硬联逻辑级
第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。

M1微程序级
第一级是微程序级。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件执行的。

M2传统机器级
第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

M3操作系统级
第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。

M4汇编语言级
第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。 [1]

M5高级语言级
第五级是高级语言级，这级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。

M6应用语言级
第六级是应用语言级，
这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。
把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

6.MIPS 每秒处理多少（百万级的指令条数）

MIPS(Million Instructions Per Second)：单字长定点指令平均执行速度 Million Instructions Per Second的缩写，每秒处理的百万级的机器语言指令数。这是衡量CPU速度的一个指标。

7.FLOPS/MFLOPS/GFLOPS/TFLOPS/PFLOPS/EFLOPS

FLOPS是Floating-point Operations Per Second每秒所执行的浮点运算次数的英文缩写。它是一个衡量计算机计算能力的量，这个量经常使用在那些需要大量浮点运算的科学运算中。有时也会被记为flop/s。

MFLOPS(Million Floating-point Operations per Second，每秒百万个浮点操作)，衡量计算机系统的技术指标，不能反映整体情况，只能反映浮点运算情况。

GFLOPS 就是 Giga Floating-point Operations Per Second,即每秒10亿次的浮点运算数,常作为GPU性能参数但不一定代表GPU的实际表现，因为还要考虑具体如何拆分多边形和像素、以及纹理填充，理论上该数值越高越好。1GFlops = 1,000MFlops。