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一. 计算机的发展
二. 计算机硬件的基本组成
三. 各个硬件的工作原理
#xff08;1#xff09;主存储器
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#xff08;3#xff09;控制器
#xff08;4#xff09;一个例子
四. 计算机系统的层次结构
五. 计算机的性能指标…目录
一. 计算机的发展
二. 计算机硬件的基本组成
三. 各个硬件的工作原理
1主存储器
2运算器
3控制器
4一个例子
四. 计算机系统的层次结构
五. 计算机的性能指标
1CPU
2系统整体性能指标 一. 计算机的发展 二. 计算机硬件的基本组成 冯诺伊曼机——“存储程序”的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器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。 在计算机系统中软件和硬件在逻辑上是等效的。例如对于乘法运算可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算也可以用软件的方式执行多次加法运算来实现。
冯·诺依曼计算机的特点
计算机由五大部件组成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
输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。 现代计算机以存储器为中心。CPU运算器控制器。 计算机的组成结构 注意主存Main Memory是计算机中用于存储数据和程序的部分。它是计算机的内部存储器也被称为内存或随机存取存储器RAM。主存具有较快的读写速度可以直接被中央处理器CPU访问。辅存Secondary Storage是计算机中用于长期存储数据和程序的部分。它通常是磁盘驱动器或固态硬盘SSD用于存储操作系统、应用程序、文件和其他数据。辅存的读写速度较慢但它可以存储大量数据并且可以长期保存数据即使计算机关闭或断电。辅存也被称为外部存储器。
三. 各个硬件的工作原理 1主存储器
存储体存放数据由一系列存储元件构成可存放二进制数据0和1。数据在存储体内按地址存储。
存储单元每个存储单元存放一串二进制代码存储字(word)存储单元中二进制代码的组合存储字长存储单元中二进制代码的位数存储元即存储二进制的电子元件电容每个存储元可存1bit。多个存储元加线路就组成存储单元。
Memory Address RegisterMAR存储地址寄存器寄存器也用来存放数据。MAR的位数反映了存储单元的个数。例如MAR4位→总共有个存储单元。
Memory Data RegisterMDR存储数据寄存器MDR的位数存储字长。例如MDR16位→每个存储单元可存放16bit1个存储字(word) 16bit。
现代计算机也通常把MAR和MDR集成在CPU里。
易混淆1个字节Byte 8bit1B1个字节1b1个bit
总容量存储单元个数×存储字长bit存储单元个数×存储字长/8 Byte。
Eg: MAR为32位MDR为8位总容量
注意 2运算器 运算器用于实现算术运算如加减乘除、逻辑运算如与或非)
ACC累加寄存器用于存放操作数或运算结果。MQ乘商寄存器在乘、除运算时用于存放操作数或运算结果。X通用的操作数寄存器用于存放操作数可能有多个。ALU算术逻辑单元通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。 3控制器 CU控制单元分析指令给出控制信号IR指令寄存器存放当前执行的指令PC程序计数器存放下一条指令地址有自动加1功能 有时也把前两个统称为取指
4一个例子
下面举例来说明各硬件的工作过程。例如在计算机中运行C程序 计算机经过编译后把程序翻成二进制码同时数据存入主存。代码和数据都存入存储体
以第一条语句为例读取a至累加器ACC 初(PC)0指向第一条指令的存储地址#1(PC)→MAR导致(MAR)0#3M(MAR)→MDR把存储体中MAR地址中的数据读到MDR导致(MDR)000001 0000000101#4: (MDR)→IR导致(IR)000001 0000000101#5OP(IR)→CU指令的操作码送到CUCU分析后得知这是一条取数指令#6Ad(IR)→MAR指令的地址码送到MAR导致(MAR)5#8M(MAR)→MDR导致(MDR)00000000000000102#9: (MDR)→ACC导致(ACC)00000000000000102
取指令#1~#4)PC自动加1→分析指令#5)→执行取数指令(#6~#9)。
CPU区分指令和数据的依据指令周期的不同阶段。
上一条指令取指后PC自动1(PC)1执行后(ACC)2 #1(PC)→MAR导致(MAR)1#3M(MAR)→MDR导致(MDR)000100 0000000110#4(MDR)→lR导致(IR) 000100 0000000110#5OP(IR)→CU指令的操作码送到CUCU分析后得知000100是一条乘法指令#6Ad(IR)→MAR指令的地址码送到MAR导致(MAR)000000011026#8M(MAR)→MDR导致(MDR)00000000000000113#9(MDR)→MQ导致(MQ)00000000000000113#10(ACC)→x导致(X)2#11(MQ)*(X)→ACC由ALU实现乘法运算导致(ACC)6如果乘积太大则需要MQ辅助存储
取指令#1~#4)PC自动加1→分析指令#5)→执行乘法指令(#6~#11)
上一条指令取指后(PC)2执行后(ACC)6 #1(PC)→MAR导致(MAR)2#3M(MAR)→MDR导致(MDR) 000011 0000000111#4(MDR)→IR导致(IR) 000011 0000000111#5OP(IR)→CU指令的操作码送到CUCU分析后得知000011是一条加法指令#6Ad(IR)→MAR指令的地址码送到MAR导致(MAR)7#8M(MAR)→MDR导致(MDR)00000000000000011#9(MDR)→x导致(X)00000000000000011#10(ACC)(X)→ACC导致(ACC)7由ALU实现加法运算
取指令#1~#4)PC自动加1→分析指令#5)→执行加法指令(#6~#10)
上一条指令取指后(PC)3执行后(ACC)7 #1(PC)→MAR导致(MAR)3#3M(MAR)→MDR导致(MDR)000010 0000001000#4(MDR)→IR导致(IR) 000010 0000001000#5OP(IR)→CU指令的操作码送到CUCU分析后得知这是一条存数指令#6 Ad(IR)→MAR指令的地址码送到MAR导致(MAR)8#7(ACC)→MDR导致(MDR)7#9(MDR)→地址为8的存储单元导致y7
上一条指令取指后(PC)4
#1(PC)→MAR导致(MAR)4#3M(MAR)→MDR导致(MDR)000110 0000000000#4(MDR)→R导致(IR) 000110 0000000000#5OP(IR)→CU指令的操作码送到CUCU分析后得知这是停机指令利用系统中断机制停止该进程。
四. 计算机系统的层次结构
操作系统层由操作系统程序实现。操作系统程序由机器指令和广义指令组成这些广义指令是为了扩展机器功能而设置的是由操作系统定义和解释的软件指令这一层也称为混合层。 编译程序将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序而后再执行机器语言程序只需翻译一次
解释程序将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句并立即执行。紧接着再翻译下一句每次执行都要翻译
编译、汇编、解释程序可统称翻译程序。
五. 计算机的性能指标
1CPU
CPU主频CPU内数字脉冲信号振荡的频率。CPU主频与时钟周期互成倒数关系 CPI (Clock cycle Per Instruction)执行一条指令所需的时钟周期数。不同的指令CPI不同。甚至相同的指令CPl也可能有变化。
执行一条指令的耗时CPI×CPU时钟周期CPU执行时间整个程序的耗时CPU时钟周期数/主频(指令条数*CPI)/主频 Eg某CPU主频为1000Hz某程序包含100条指令平均来看指令的CPI3。该程序在该CPU上执行需要多久?
解
IPS ( Instructions Per Second )每秒执行多少条指令KIPSMIPS
FLOPS ( Floating-point Operations Per Second)每秒执行多少次浮点运算KFLOPS...
注此处K、M、G、T为数量单位 KKilo千10^3MMillion百万10^6GGiga十亿10^9TTera万亿10^12
2系统整体性能指标
数据通路带宽数据总线一次所能并行传送信息的位数各硬件部件通过数据总线传输数据)。
吞吐量指系统在单位时间内处理请求的数量。
它取决于信息能多快地输入内存CPU能多快地取指令数据能多快地从内存取出或存入以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系到主存因此系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
响应时间指从用户向计算机发送一个请求到系统对该请求做出响应并获得它所需要的结果的等待时间。
基准程序动态测试是用来测量计算机处理速度的一种实用程序以便于被测量的计算机性能可以与运行相同程序的其它计算机性能进行比较。eg.跑分软件
问1主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗?——不一定如两个cPUA的主频为2GHz平均CPl10;B的主频1GHz平均CPl1... 问2若A、B两个CPU的平均CPI相同那么A一定更快吗?——也不一定还要看指令系统如A不支持乘法指令只能用多次加法实现乘法;而B支持乘法指令。 问3基准程序执行得越快说明机器性能越好吗?——基准程序中的语句存在频度差异运行结果也不能完全说明问题。
