计算机系统概述
（一）计算机的发展历程
（二）计算机的系统层次结构
- 计算机系统的基本组成
- 计算机硬件的基本组成
- 计算机软件和硬件的关系
- 计算机的工作过程
（三）计算机的性能指标
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
核心考点
1.冯·诺依曼计算机的基本特点与指令执行过程
2.计算机的各种性能指标
1.1计算机的分类
电子模拟计算机
模拟计算机根据相似原理，用一种连续变化的 模拟量 作为被运算对象。模拟计算机以电子线路构成基本部件，主要由运算部件、控制部件、输入输出设备等组成，核心部件是运算放大器。
电子数字计算机
数字计算机根据算盘原理发展而来，用离散数字表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且通过程序控制方式不连续地跳动计算。
ENIAC 宣告人类进入电子计算机时代。 他是世界上第一台实际运行的存储程序式电子计算机。
数字计算机的分类
根据计算机的效率、速度价格和运行经济性适应性分为两类：专用计算机和通用计算机
通用计算机的分类
超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机
1.2 计算机发展简史
计算机的性能指标
吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）
响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量 微妙（10^-6^S）、纳秒(10^-9^S)
利用率：表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。
处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。
字长越长，表示计算的精度越高。计算机的性能指标
总线宽度：CPU运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节 ）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。
存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。
主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）
主频的倒数称为CPU的时钟周期（T）即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。
CPU的执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，用下列式子计算：
CPU执行时间 =CPU时钟周期数×CPU时钟周期长
CPI表示每条指令占据的周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：
MIPS 表示每条百万条指令数目，用下式计算：
程序执行时间Te为：
MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：
MIPS是单位时间内执行的百万条顶点指令数，MIPS值越高说明极其速度越快
MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。
TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。
例题
【例1.1】对于一个给定的程序，表示执行程序中的指令总数，表示执行该程序所需的CPU时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数），为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令，请写出如下四种参数的表达式：
解：有题可知
（图片已省略）
CPU的时钟频率越高，机器的速度就越快，对吗?
在其他因素不变的情况下，CPU的时钟频率越高，机器的速度肯定越快。但是， 程序执行的速度除了与CPU的速度有关外，还与存储器和IO模块的存取速度、总线的传输速度、Cache的设计策略等有很大关系。因此，机器的速度不是只由CPU的时钟频率决定的.
执行时间(响应时间)与CPI是什么关系?
通常，一条特定指令的CPI是一个确定的值，而某个程序的CPI是一个平均值。一个程序的执行时间取决于该程序所包含的指令数、CPI和时钟周期。在指令数和时钟周期一定的情况下，CPI越大，执行时间越长.
数字计算机基本组成
控制器：人的大脑的操作控制功能
运算器：人的大脑的计算功能
存储器：人的大脑的记忆功能
输入设备：交互接口，笔
输出设备：交互接口，纸
冯诺依曼计算机
（1）计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
（2）指令和数据以同等的地位保存于存储器内，并可按照地址访问存储器。
（3）指令和数据均用二进制代码表示。
（4）指令由 操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质（是加法还是减法，或者其他操作），地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
（5）指令在存储器内按顺序存放。通常指令是按顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或设定的条件改变执行顺序
（6）机器以运算器为中心， 输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成
（1）存储器
存储器分为主存储器（简称主存， 也称内存储器）和辅助存储器（简称辅存，也称外存储器)。CPU能够直接访问的存储器是主存储器。主存储器是存放程序和数据的部件。
辅助存储器用于帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能被CPU访问
（2）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。
操作码———————-地址码
操作码指出指令所进行的操作，如加、减、乘、除、取数、 存数等。
地址码表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元中取来，或运算的结果应该存到哪个单元中去。
指令的操作码和地址码用二进制代码来表示。
指令和数据存储
存储器既可存放数据也可存放指令，将程序(指令序列)存放到存储器中称为存储程序，而控制器 依据存储的程序来控制-协调完成计算任务叫做程序控制。
控制器的任务： 按照顺序一条一条的执行指令（取指令，指令译码、执行指令）。取址周期和执行周期。也可以区分开那些是指令字，那些是数据字。取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。
作业
1.比较电子数字计算机和电子模拟计算机的特点。
电子数字计算机：数据表式为数字0和1 ，计算方式为 数字计数 控制方式为：程序控制 精度高，数据存储量大，逻辑判断能力强。
电子模拟计算机：数据表示方式为电压，计算方式为电压组合和测量值，控制方式为：盘上连线，精度低、数据存储量小、无逻辑判断能力。
2.冯诺依曼计算机的主要设计思想是什么？它包括那些主要组成部分？
主要设计思想：
①采用二级制表示数据和指令，指令由操作码和地址码组成。
②存储程序，程序控制：将程序和数据存放在存储器中，并可按照地址访问存储器完成计算。
③指令在存储器内按顺序存放。通常指令是按顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或设定的条件改变执行顺序
④机器以运算器为中心， 输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成
主要组成部分：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备
3.什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？
存储容量：存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB、MB来表示存储容量越大，表示计算机记忆存储的信息越多
单元地址：： 单元地址简称地址， 在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号， 称为单元地
址。
数据字：某字代表要处理的数据
指令字：某字为一条指令
6.什么是指令？什么是程序？
每一个基本操作就叫做条指令，而解算某一问题的一串指令序列叫做该问题的计算程序简称为程序
7.指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分他们是指令还是数据？
在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息， 而在执行周期中从存储器中读出的信息即为数据信息
8.什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是适配器？简述其功能。
一般由半导体存储器构成， 装在底版上， 可直接和 CPU 交换信息的存储器称为内存储器， 简称内存。
外存： 为了扩大存储容量， 又不使成本有很大的提高， 在计算机中还配备了存储容量更大的
磁盘存储器和光盘存储器， 称为外存储器， 简称外存。 外存可存储大量的信息， 计算机需要使用时， 再调入内存。
CPU： 包括运算器和控制器。 基本功能为： 指令控制、 操作控制、时间控制、 数据加工。
适配器： 连接主机和外设的部件， 起一个转换器的作用， 以使主机和外设协调工作。
10.说明软件的发展的演变过程
汇编语言的发展 手编程序—>汇编语言程序——>高级程序
系统软件的发展：操作系统———->数据库管理系统
12.为什么软件能够转换为硬件，硬件能够转换为软件？实现这种转换的媒介是什么？
随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势,要明确划分计算机系统软、硬件界限已经显得比较困难了,因为任何操作可以由软件来实现,也可以由软件来完成,对于某一机器功能采用硬件方案还是软件方案,取决于价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。
13.CPU的性能指标有哪些？其概念是什么？
cpu的性能指标有主频、外频、倍频系数和制程技术
主频：CPU的时钟频率，一个时钟周期完成的指令数是固定的，主频越高，CPU的速度也就越快
外频：外频是CPU的基准频率，CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
倍频系数：倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。
制程技术：制程越小发热量越小，这样就可以集成更多的晶体管，CPU效率也就更高
计算题1
设有主频24MHz 的CPU，平均每条指令的执行时间为2个机器周期，每个机器周期由2个时钟周期组成试求:
1）机器的工作速度。
2）假如每个指令周期中有一个是访存周期，需插入2个时钟周期的等待时间，求机器的工作速度。
计算题二
用一个时钟频率为40MHz的处理器执行标准测试程序，它所包含的混合指令数和响应所需的时钟周期见表1-10。试求出有效的CPI、MIPS速率和程序的执行时间（假设有N条指令)。
