S1-概论

冯·诺依曼计算机结构

基本组成与功能

计算机内部有哪两股信息在流动？它们彼此有什么关系？
答：一股是控制信息，即操作命令，它分散流向各个部件；一股是数据信息，它受控制信息的控制，从一个部件流向另一个部件，在流动的过程中被相应的部件加工处理

• 运算器：算术运算，逻辑运算
  
• 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：将结果转换成人们熟悉的形式
  

工作原理

• 程序是怎么存放的？ 按地址顺序存放
• 顺序执行和跳跃执行怎么实现的的
  • 顺序：程序计数器(PC)有自加功能
  • 跳跃：往PC里放要转到的地址
• 【程序为什么可以自动执行？】当想要执行某个程序，会将程序所在的首址放入PC，之后自动PC++

程序执行流程

计算机为什么能自动执行 → PC(程序计数器)→ PC 里装什么→ PC 功能(PC +1→PC) → 顺序执行 → 跳跃如何实现 → 计算机的基本工作原理，程序执行原理 → 取指 → 执行

计算机系统组成

• 什么是计算机系统的硬件和软件
  • 一台完整的计算机系统应包括 [硬件] 和 [软件] 两部分
  • 计算机硬件系统是指计算机系统的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心
  • 计算机的软件是将解决问题的方法、思想和过程用程序进行描述，因此程序是软件的核心组成部分。程序通常存储在介质上，人们可以看到的是存储程序的介质，而程序则是无形的
  • 一台计算机中全部程序的集合，统称为这台计算机的软件系统。软件按其共功能分成 [应用软件] 和 [系统软件] 两大类
• 硬件与软件系统间的关系
  

多级层次结构的计算机系统

详述 5 层结构

• 第 1 级是 [微程序设计级]
  • M1 每执行完一条机器指令的一个微程序后，便由 M2 中的下一条机器指令使 M1 自动进入与其相对应的另一个微程序的执行
  • 由此可见，微程序机器M1 可看作是对 机器语言机器M2 的分解，即用 M1 的微程序解释并执行 M1 的每一条机器指令
  • 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该应用程序
• 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 级是 [操作系统级]
  • 它由操作系统程序实现
  • 操作系统的功能是通过其控制语言来实现的
  • 这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令
  • 这一级也称为混合级
• 第 4 级是 [汇编语言级]
  • 他给程序人员提供一种符号形式的语言，以降低程序编写的复杂性。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，则机器必须有这一级功能才能运行；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 级是 [高级语言级]
  • 这是面向用户的，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

summary

• 由图可以看出，由于软件的发展，使实际机器(M2) 向上延伸构成了各个虚拟机器；同理，实际机器也可向下延伸而形成下一级的微程序机器(M1)
• 层次之间的关系紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础，这是层次结构的一个特点
• 层次结构的另一个特点是，站在不同的层次观察计算机系统，会得到不同的概念
  • 程序员在第 4 层看到的计算机时高级语言机器
  • 系统操作员将第 3 层看作一个系统级的资源
  • 硬件设计人员在第 1，2 级看到的是计算机的电子线路

区分计算机组成&体系结构

计算机系统性能评价

非时间指标

• 机器字长：指CPU)一次能处理的二进制位数
  
• 总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息的位数
  
• 主存容量与存储带宽
  

时间指标*

• 主频f / 时钟周期T、外频、倍频
  
• CPI(Clock cycles Per Instruction)
  
• MIPS(Million Instructions Per Second)
  
• CPU时间
  

计算机性能指标是确定的吗？

计算题