组原概述

计算机系统组成

硬件、软件系统

硬件系统和软件系统共同构成计算机系统，硬件是基础，软件是发挥硬件的条件

硬件系统主要包括：CPU、存储器、输入/输出控制系统

软件系统

• 系统软件：提供无差别服务，如操作系统、实用程序、编译程序等
• 应用软件：不关心，赚钱捏

硬件和软件具有逻辑等价性，即软件能完成的工作硬件也能完成，反之亦然。硬件实现更快，软件的迭代、修改更方便

语言级别

机器语言：代码效率高，执行速度快，硬件可直接执行，可读性差，不易变成，不易维护

汇编语言：可读性较好（助记符），出错便于检查和修改。可移植性差，对程序员要求高，必须十分熟悉计算机硬件结构的配置、指令系统和寻址方式低级语言

• 也叫低级语言

高级语言：接近于自然语言，容易理解和掌握，与硬件无关。效率低，执行速度慢

• 解释型语言：python、js，一行行处理（line by line），一步到位
• 编译型语言：java、c、c++，需要编译器，编译得到目标代码，经过链接器形成链接模块，最后转化成机器语言

计算机系统层次结构

划分层次结构

第 0 级机器：完全由硬件组成，是机器的硬件核心

第 1 级机器：根据指令操作所需的控制时序，利用微指令编出的微程序控制数据在寄存器之间传送

第 2 级机器：能运行机器语言的机器，程序员可以在其上编写机器语言程序利用第 1 级的微程序进行解释并运行

第 3 级机器：操作系统机器

第 4 级机器：汇编语言机器

第 5 级机器：高级语言机器

第 6 级机器：应用语言机器

划分层次的意义

解耦计算机功能，硬件做下级，软件做上级

存储程序思想与冯诺依曼计算机

存储程序思想

第一台通用计算机 ENIAC 出现于1946年情人节，每秒 5000 次运算，占地 150 平米

冯诺依曼提出存储程序的思想，把程序和数据不加区别的对待，从内存中读数据，都存放在存储器中

并将计算机分成5部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

冯诺依曼计算机

根据存储程序的概念和二进制原理设计的电子计算机统称为“冯诺依曼型结构”计算机

特点：

• 由五部分构成
• 程序、数据都在存储器中
• 数据以二进制表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 指令在存储器中按执行顺序存放，并能自动执行

二进制简单、二进制稳态器好做，逻辑门电路实现逻辑运算简单

冯诺依曼计算机属于指令流驱动控制，并且属于串行结构，单指令流单数据流

早期，冯计算机以运算器为中心；现代计算机以寄存器为中心

计算机的硬件组成

输入设备

存储器：用以存放程序和数据，分为内存和外存，CPU只直接读取内存

• 按地址进行存取，参考汇编
• 每个存储单元的大小取决于编址方式

编址方式

• 比特，存 1/0
• 字节，存 8 个 bit
• 字，也叫 word，往往等于 n 倍的 B，即包含多个字节

这里的字节和字我们称作编址单元，为什么编制单元是字或者字节？

买鸡蛋

• 买200个，按个数
• 买2000个，按盘数
• 买20000个，按箱数

计数单位越大，计数次数越少

寻址时，回去地址寄存器 MAR 去找地址，若存储单位大，地址数量少，MAR 负担就小，反之 MAR 就要大

输出设备

运算器：执行部件，算数逻辑单元

控制器

计算机的指令执行过程

取指令：从内存中寻址取出

分析指令：译码阶段

访存取数阶段：根据指令取出相应数据

执行指令：对数据进行相应操作并得到结果

结果写回阶段

计算机性能指标

吞吐率

单位时间内处理请求的数量

响应时间

给了一个请求以后，多久后能响应

CPU 时钟周期

主频的倒数，就是主频振动一个来回经历的时间，CPU最小的时间单位，每个动作至少需要一个时钟周期

主频

由硬件决定，时间实际是一种约定（跨年的时候会停一秒左右校正），计算机只能通过石英单晶体的振动来计时，而主频实际上就是振动的频率。也可以理解为每秒中时间周期的个数

主频变高，时钟周期一定会变小，但时钟周期数CPI一定会变多，完成一件事的时间为：事的数量 x 时钟周期数 x 时钟周期

他们是矛盾的，需要结合场景计算

CPI

执行一条指令所需的时钟周期数

CPU 执行时间

CPU 执行一个程序所花时间

Tcpu = ln x CPI x Tc = ln x CPI x 1/Rc

• ln为指令数
• Rc为主频
• CPI为一条指令所耗时钟周期个数
• Tc为时钟周期长度

很明显可以看出主频越快，所用时间越短

MIPS 和 MFLOPS

MIPS：每秒钟指令的执行条数，以百万为单位

MIPS = ln / (Tcpu x 10^6) = 1 / (CPI x Tc x 10^6)

• 带入 Tcpu 的公式

MIPS 用于评价标量机

MFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 x 10^6)

适用于衡量向量机

计算机体系和并行系统

计算机的体系结构

Flynn 分类法，将计算机划分成四种基本类型，M(multi)指多，S指单(single)

• SISD：单指令流单数据流，完全的串行，冯诺依曼机
• MIMD：多指令流多数据流，同时执行多个指令流，指令流可以在单个时钟周期处理多个数据，一定是多核心
• SIMD：单指令流多数据流，现在的单核计算机基本属于该类，能够在单时钟周期内处理多个数据
• MISD：多指令流单数据流，鬼畜

多核处理器

每个CPU是一个独立的处理器，可以有自己独立的cache，也可以共享cache

SMP 系统结构

对称多处理器技术，单处理器同时只能处理一个线程，若多线程，CPU数量必须达到多个，SMP技术使得多个CPU可以同时工作

各处理器之间的关系完全对等，共享相同的物理内存

但要注意并不是核越多越好，一味增加内存冲突加剧且CPU浪费增加，SMP利用率最好的情况是2-4个CPU

• 松耦合的多处理技术：早期分布式的雏形
• 紧耦合的多处理技术
• 对称多处理技术