作者：whisper

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（一） 计算机发展历程
（二） 计算机系统层次结构
1、 计算机系统的基本组成
2、 计算机硬件的基本组成
3、 计算机软件和硬件的关系
4、 计算机系统的工作过程
（三） 计算机性能指标
吞吐量、响应时间；
CPU 时钟周期、主频、 CPI、 CPU 执行时间；
MIPS、 MFLOPS、 GFLOPS、 TFLOPS、 PFLOPS。

1.1 计算机的发展历程

1946 年 美国 ENIAC 1955 年退役

世界上第一台电子计算机 ENIAC（1946）

硬件技术对计算机更新换代的影响

微型计算机的出现和发展

Intel 公司的典型微处理器产品

1.2 计算机系统层次结构-虚拟机

计算机的软硬件概念

1.计算机系统的组成

PC 主板

解剖一台计算机（分而治之）

各种语言

机器语言面向机器（二进制、机器能直接执行，速度快）

汇编语言面向机器（符号化机器语言，经汇编后执行）

高级语言面向问题（类自然语言，经编译连接后执行）

FORTRAN 科学计算和工程计算

C 语言 结构化程序设计

C＋＋ 面向对象

Java 适应网络环境

计算机系统的层次结构

2.系统软件

语言处理程序 汇编程序编译程序解释程序

操作系统 DOS UNIX Windows

服务性程序 装配调试诊断排错

数据库管理系统 数据库和数据库管理软件

网络软件

3.计算机硬件的基本组成和工作原理

冯·诺依曼计算机的特点

（1）运算器、控制（6）机器以运算器为中心。器、存储器、输入和输出设备。

（2）采用存储程序的方式。

（3）数据以二进制码表示。

（4）指令由操作码和地址码组成。

（5）指令在存储器中按执行顺序存放，由 PC 指明要执行的指令的单元地址，一般按 顺序递增。

（6）机器以运算器为中心。

冯·诺依曼计算机硬件框图

以存储器为中心的计算机硬件框图

现代计算机硬件框图

运算器

算术运算和逻辑运算

在计算机中参与运算的数是二进制的

运算器的长度一般是 8、16、32 或 64 位

存储器

存储数据和程序（指令）

存储体– 存储单元– 存储元件（0/1）

大楼– 房间– 床位（无人/ 有人）

存储单元存放一串二进制代码

存储字存储单元的中二进制代码

存储字长存储单元中二进制代码的位数

每个存储单元赋予一个地址号

按地址寻访

存储器单位：

两个寄存器

MAR 存地址

MDR 存数据

存储容量

存放二进制信息的总位数

存储单元个数×存储字长

控制器

指令和程序

指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）

指令和数据存储

PC Program Counter

IR Instruction Register

CU Control Unit

基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。

取指周期和执行周期 ？指令字，还是数据字。

1、取指周期中从内存读出的信息流是指令流，流向控制器；

2、执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，流向运算器。

计算机工作的全过程

输入程序和数据

程序首地址→PC

启动运行程序

取指令 PC→MAR→M→MDR→IR （PC）+1→PC

分析指令 OP（IR）→CU

执行指令 Ad（IR）→MAR→M→MDR→ACC

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停机

1.3 计算机性能指标

机器字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的。

数据总线一次所能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度。

一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量。

以字节数来表示存储容量，也可以用字数乘以字长来表示存储容量

吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量。

响应时间是指系统对请求作出响应的时间

包括 CPU 时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存 储器访问、I/O 操作、操作系统开销等时间）的总和。

CPU 的主频又称为时钟频率，表示在 CPU 内数字脉冲信号振荡的速度。

主频的倒数就是 CPU 时钟周期，CPU 中最小的时间元素。

每个动作至少需要一个时钟周期。

主频 = 时钟周期数/s

CPI 是指每条指令执行所用的时钟周期数。

IPC 每个时钟周期执行的指令数

CPI=1/IPC

【例】程序 P 在机器 A 上运行需 10 s， 机器 A 的时钟频率为 400MHz。 现在要设计 一台机器 B，希望该程序在 B 上运行只需 6 s. 机器 B 时钟频率的提高导致了其 CPI 的增 加，使得程序 P 在机器 B 上时钟周期数是在机器 A 上的 1.2 倍。机器 B 的时钟频率达到 A 的多少倍才能使程序 P 在 B 上执行速度是 A 上的 10/6=1.67 倍？

CPU 时间 A = 时钟周期数 A / 时钟频率 A

时钟周期数 A = 10 sec x 400MHz = 4000M 个

时钟频率 B = 时钟周期数 B / CPU 时间 B

= 1.2 x 4000M / 6 sec = 800 MHz

MIPS 表示每秒执行多少百万条指令

MFLOPS 表示每秒执行多少百万次浮点运算

GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS。

【例 1.1】完整的计算机系统应包括（ ）。

A．运算器、存储器、控制器 B．外部设备和主机 C．主机和实用程序 D．配套的硬件设备和软件系统

【例 1.2】由 0、1 代码组成的语言，称为（ ）。

A．汇编语言 B．自然语言 C．机器语言 D．高级语言

【例 1.3】用于科学计算的计算机中，标志系统性能的主要参数是（ ）。

A．主频 B．主存容量 C．MIPS D．MFLOPS

【例 1.4】下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是（ ）。

I．提高 CPU 时钟频率，Ⅱ．优化数据通路结构，III．对程序进行编译优化

A．仅 I 和Ⅱ B．仅 I 和 III C．仅Ⅱ和 III D．I，Ⅱ，III

【例 1.5】微机 A 和 B 是采用不同主频的 CPU 芯片，片内逻辑电路完全相同。

（1）若 A 机的 CPU 主频为 8MHz，B 机为 12MHz，则 A 机的 CPU 时钟周期为多少？

（2）如 A 机的平均指令执行速度为 0.4MIPS，那么 A 机的平均指令周期为多少？

（3）B 机的平均指令执行速度为多少？

（1）A 机的 CPU 时钟周期为 0.125μs。 （2）A 机的平均指令周期为 2.5μs。 （3）B 机的平均指令执行速度为 0.6MIPS。

本章总结

1、冯氏原理 2、性能指标 3、基本概念

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