计算机系统基础 第一章计算机系统概述
计算机系统概述
第 一章 计算机的基本运行机制
冯·诺依曼架构的核心理念
基于冯·诺依曼架构的计算机体系结构
程序与指令的操作流程详细解析
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1.2 程序的开发与运行
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- 1.2.1 程序设计语言和翻译程序
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1.3 计算机系统的层次架构
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1.3.1 计算机系统的抽象层转换过程
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1.4 计算机性能评估
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- 1.4.1 计算机性能定义为
博主使用的教材为《计算机系统基础—第二版（袁春风 余子濠编著）》
1.1计算机基本工作原理
1.1.1 冯诺依曼结构的基本思想
存储程序： 任何要计算机完成的工作都需要先被编码为相应的程序，并将这些程序以及原始数据加载到内存空间中后启动运行。
一旦系统设计合理并且程序被启动运行，在不需人工干预下自动生成逐条读取指令并依次执行这些指令的过程是可行的。
- 基本组成部分：
- 存储系统：负责数据和指令的存放
- 控制器：自动获取指令
- 运算单元：执行算术运算（如加减乘除）、逻辑运算（如与或非）以及辅助计算
- 输入接口
- 输出接口
组织形式：该系统采用二进制来表示指令和数据。每个指令由操作码和地址码两个组成部分构成。
1.1.2 冯诺依曼机基本结构
内存数据寄存器（MDR）负责暂存CPU与内存之间的数据；
内存地址寄存器（MAR）负责存储当前CPU访问内存的位置；
指令寄存器（IR）用于暂时保存CPU执行的操作指令；
通用寄存器组（GPRs）包含若干个专门用于存储程序中所需操作数的专用单元；
算术逻辑单元（ALU）负责执行所有算术和逻辑运算；
控制信号用于触发算术逻辑单元完成特定操作；
程序计数器（PC）用于跟踪当前正在执行的操作指令位置。
- 程序的执行过程：
1、由程序计数器（PC）取出指令
2、对指令进行编解码处理
3、读取操作数字段
4、完成算术或逻辑运算
5、将运算结果存储到结果寄存器中
6、更新程序计数器（PC）的值
1.1.3 程序和指令的执行过程
时钟周期：CPU的所有微操作均基于时钟信号进行定时控制，在此机制下，每个时钟周期的持续时间决定了基本运算的操作速度。每条指令的操作过程通常涉及一个至多个时钟周期的时间跨度。
1.2 程序的开发与运行
1.2.1 程序设计语言和翻译程序
机器级语言：机器语言、汇编语言
- 机器语言：采用专为计算机规定使用的二进制指令格式构成。
- 汇编语言：基于汇编指令的操作码与操作数地址值组合形成。
高级程序设计语言：C、JAVA、PYTHON…
- 处理流程：顺序执行模式、条件判断机制、重复执行循环
- 转换方式：
编译工具：基于高级编程语言编写的一系列指令序列，其作用是从源代码生成高效机器代码，并支持直接运行而不需额外准备解释器：提供动态脚本式的编程环境，在逐行解析并转换为可执行指令后即可运行，并无须构建最终代码库
预处理—>编译—>汇编—>链接
1.3 计算机系统层次结构
1.3.1 计算机系统抽象层的转换
功能转换：高层是对底层进行提炼,而底层则是通过具体化为高层提供支撑体系
- 软件与硬件的交互界面： IS/2（指令集架构）体系结构
- 前后端的标准
- 前端必须严格遵守语言规范要求
2.前端系统基于ISA技术标准以及ABI接口协议进行功能设计与实现。
ABI是一种定义了不同硬件架构及其兼容性标准的机器级接口协议
它确保了程序与硬件设备之间的高效通信，并提供了跨平台的一致性和可扩展性。描述了程序与硬件设备之间的关系；它提供了跨平台的一致性和可扩展性。
ABI定义了不同硬件架构及其兼容性标准；它确保了程序与硬件设备之间的高效通信；同时提供了跨平台的一致性和可扩展性。
1.4 计算机性能评价
1.4.1 计算机性能的定义
Time to do the task
* 响应时间 * 执行时间 * 等待时间或时延
Tasks per day, hour, sec, ns. .
* 吞吐率 * 带宽
基本的性能评价 ：CPU的执行时间
时间的计算
CPI代表每条指令所需CPU时钟周期的数量。
运行所需时间为CPU总运行时间除以单个程序的指令数量乘以每个时钟周期的时间。
等于总运行时间除以程序数量再除以系统的主频。
等于程序指令数量乘以每条指令所需的CPU工作周再乘以每个工作周的时间。
总运行时间除以程序数量等于程序指令数量乘以每条指令所需的CPU工作周。
等于总运行时间除以程序数量再除以程序指令数量。
- CPI 计算
计算该程序的平均执行 cycles per instruction（CPI）。
已知 CPU 运行时间、处理器频率以及指令总数等参数，则程序的平均 CIP 值为：
通过公式计算得到：平均 CPI=（CPU运行时间乘以处理器频率）除以指令总数。
其中具体数值可表示为：CPi=\frac{(\text{CPU运行时间} \times \text{处理器频率})}{\text{指令总数}}。
阿姆达尔定律：在计算机系统中进行软硬件更新时所带来系统的性能改进程度取决于被更新部分的使用频率及其执行时间占整个系统的比例。
对于一个给定的系统来说，
p = 1 / (t/n + 1 - t)
其中，
p表示系统的加速比，
t表示被更新部件所花费的时间，
n表示整个系统的处理能力。