1.计算机系统概括

1.1 计算机软硬件概念

计算机由软件和硬件构成

• 硬件:计算机的实体
• 软件:系统软件和应用软件

1.2 计算机的”解题”过程

计算机执行指令一般按照如下程序进行:

• 高级语言编写
• 编译器的编译
• 机器码的转化
• 计算机”解题”

1.2.1 计算机系统的层次结构

从汇编语言 到 机器语言过程中,汇编会在一个虚拟机器$M_2$中被机器识别转化为2进制的机器码,此时机器码(机器语言)会指示实际机器$M_1$进一步操作.从这种角度上看,汇编语言其实是一种助记语言,其直接对应机器语言

在效率上,汇编的效率会比普通的程序更加底层从而能让程序员做出更效率的程序语句,在实际项目中如FFmpeg就使用了汇编加速了视频编码

在机器语言之下还存在一个微指令系统$m_0$,这个系统会读取机器码并且生成微指令进而让CPU进行

1.3 计算机的基本组成

1.3.1 冯诺依曼结构的特点

1. 计算机由五大部件构成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器,按照地址寻址
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为核心 目前向存储器倾斜

冯式结构的组成

1. IO(输入输出)
2. 控制器 CU(Conturol Unit)
3. 存储器
4. 运算器 ALU(Arithmetic Logic Unit)

ALU + CU 在现代被合称为CPU(Central Processing Unit)

对于存储器而言,其可以分为主存和辅存,在现代CPU中我们将其称为内存和硬盘

存储器的基本组成:

• 存储体 : 表示存储单元,是基本存储的地方
• MAR : 存储器地址寄存器
  • 反应存储单元的个数
• MDR : 存储器数据寄存器
  • 反应存储字长

控制器的基本组成

$$\text{完成一条指令}\{\begin{array}{l}\text{取指令}PC\\ \text{分析指令}IR\\ \text{执行指令}CU\end{array}$$

• Programming Counter(PC) 程序计数器
  • 存放当前欲执行指令的地址,具有计数功能 (PC + 1) $\to$ PC
• Instruction Register(IR) 指令寄存器
  • 存放当前欲执行的指令
• Counter Unit(CU) 控制单元

CPU进行一次一次取数指令进行的操作

1.4 计算机的工作步骤

1.4.1 上机前的准备

在上机经常运算之前,我们一般都会进行如下工作

• 确定数学原理
• 选取数学方法
• 编写程序

好困,这种课真的有人能够坚持下去吗

1.5 计算机硬件的主要技术指标

1. 机器字长: CPU 一次能够处理的位数
2. 运行速度
   • 主频
   • 吉普森法
   • MIPS:每秒执行百万条指令
   • CPI:执行一条指令所需要的时钟周期
   • FLOPS:每秒浮点运算次数
3. 存储容量
   • 主存容量 RAM → 内存
   • 辅存容量 ROM → 硬盘