第一章：计算机系统概述
本文介绍了计算机系统的概念及其层次结构。首先定义了“计算机系统 = 硬件 + 软件”，并详细描述了硬件（主机与外设）与软件（系统软件与应用软件）的组成。接着重点讨论了冯·诺依曼结构计算机的组成与工作原理：运算器用于算术逻辑运算，“控制器”负责指令的解码与执行，“主存储器”通过地址译码器实现对物理存储器的访问，“中央处理器（CPU）”整合了运算器与控制器的功能，并支持“MAR（程序计数器）”与“MDR（数据寄存器）”以提高效率。此外，文章还介绍了CPU的工作流程及指令集体系结构，并强调了性能指标如主频（CPU时钟频率）、平均循环次数（CPI）、每秒指令数（IPS）、每百万指令执行次数（MIPS）以及浮点运算能力（FLOPS）。这些知识点为理解现代计算机系统的运行机制提供了基础性认识。
文章目录
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- 基本概念
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- 计算机系统的层级架构
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- 冯·诺依曼架构型计算机
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- (1) 计算机硬件组成部分
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① 主存 (Main Memory, MM)
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② 处理机 (Processor)
- **运算器 (Arithmetic and Logic Unit, ALU)
- 控制器 (Control Unit, CU)
- **运算器 (Arithmetic and Logic Unit, ALU)
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③现代计算机：MAR、MDR集成在CPU内部
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2.计算机的操作流程
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3.计算机软件系统
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源代码经过编译转换为可执行文件的过程
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指令集的组织架构
- 4.计算机系统的层次结构
- 寄存器
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2.计算机性能的关键指标
* 1.主频值（即CPU时钟频率）
* 2.每指令周期次数（CPI）
* 3.指令系统吞吐量（IPS）、每秒指令执行数（MIPS）和浮点运算能力（FLOPS）
* 4.数量级范围内的具体意义
0.概念
1.计算机组成原理的地位
- 计算机系统
计算机系统 = 硬件 + 软件
① 硬件：主机 + 外设 = 中央处理器（CPU）、控制单元（CU）、随机存取存储器（RAM）、输入接口、输出接口
② 软件 ：操作系统及相关管理软件、特定领域应用的专用程序
1.计算机系统层次结构
1.冯·诺依曼结构计算机
(1)计算机硬件：5部分
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
外存(辅存)∈I/O设备
1.程序的功能都通过中央处理器执行指令实现。
- 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）CPU = 运算器 ＋ 控制器
(通道也需要CPU？？？是的，在开始和结束时需要CPU干预，中间过程不需要。)
2.指令和数据都用二进制数表示，在形式上无差别。
- 指令采用按地址方式执行，在非立即寻址的情况下，操作数的数据通常会存储在存储器或寄存器中。其中，在立即寻址方式之外的操作中，数据均储存在存储器或寄存器中。
4.程序执行前，指令和数据需预先存放在存储器中。
①主存储器 (Main Memory，MM)
地址译码器 ∈主存：把MAR输入的二进制地址，指向对应的物理空间。
②CPU
现代计算机， CPU = 运算器 + 控制器 + MAR + MDR
中央处理器（CPU）由运算单元和控制器组成
运算器
运算设备包括：算术逻辑单元ALU、移位器、状态信息寄存器（程序状态信息字寄存器PSW）、通用寄存存储器
控制器
③现代计算机：MAR、MDR集成在CPU内部
2.计算机的工作过程
读取指令：1-4
解析指令：5 （中央处理器（CU）将操作码从寄存器中读出并放置于其内部 registers 中进行相应的解析）
处理指令：6、7、8（中央处理器（CU）通过地址码从内存中加载数据并执行相关操作）
3.计算机软件
源程序变为可执行程序的过程
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指令集体系结构
4.计算机系统的层次结构
寄存器
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2.计算机的性能指标
1.主频（CPU时钟频率）
①CPU时钟周期：是CPU的最小时间单位，为一个节拍脉冲
频率：等于时钟周期的倒数；当频率越高时（即频率值越大），对应的时钟周期值随之减小。CPU频率 = \dfrac{1}{\rm CPU\,时钟\,周期}
2.CPI
单个指令的CPI（CPU操作次数）是指其被执行所需的时间单位数量
平均单个指令的CPU操作次数等于完成n条指令所需要的时间总和除以指令总数
单条指令的执行时间为平均每 instruction 的 cycles per instruction 乘以 CPU 运行的基本时长单位；而整个程序运行所需 CPU 时间则等于操作指令的数量乘以 平均每 instruction 的 cycles per instruction 再乘以 CPU 运行的基本时长单位。
例题1：23模拟(六)43. 平均CPI
分析：
①该循环的汇编指令共8条，在程序运行初始阶段完成变量i的赋值操作，并仅执行一次。
②初始化变量i的操作由指令1完成，并仅执行一次。
其余6条指令构成该循环的核心逻辑。这些核心操作分为两类：第一类为算术运算指令（包括加法、乘法等），共有5条，在每次迭代中都会被调用两次；第二类为数据访问操作（包括加载寄存器和存储到内存中的操作），也共有5条，在每次迭代中会被调用两次。此外还包含一条条件转移操作用于控制循环的具体流程走向。
③该程序总计含有36条有效指令参与该循环的操作过程。
④在上述总共有36条有效操作的情况下，在时钟周期总数为144个的情况下完成整个程序运行所需的时间计算结果表明：平均每个时钟周期能够处理4次有效的操作（即平均CPI=4）。
答案：平均CPI = (4+5×(5×4+1×3+1×5))/36=4
3.IPS、MIPS、FLOPS
IPS 是衡量处理器性能的重要指标。 IPS 的计算公式为 {\rm{IPS}=\dfrac{主频}{平均CPI}} 。 MIPS 则是 IPS 的具体数值表现形式，在实际应用中通常以每秒几百万条指令来衡量。
②FLOPS：每秒执行多少次浮点运算
例题1：13年12. CPI、MIPS
分析：
该基准程序的CPI = 0.5×2 + 0.2×3 + 0.1×4 + 0.2×5 = 1+0.6+0.4+1=3
MIPS = 1200M/3 = 400
答案：C
4.K、M、G不同情况下的含义
1.频率/速度：K=103，M=106，G=109
2.存储容量：K=210=1024，M=220，G=230
3.KMGT PEZ
例题1：23模拟(七)22.
分析如下：计算如下：\dfrac{4KB}{8Mbps} = \dfrac{4KB}{1MB}即\cdots 等于说\dfrac{4K_{容量}}{M_{速度}}即\cdots 进一步计算得到结果为4096μs
答案：D