1.1 计算机系统概述
2024年11月19日 bok网课 组成原理
目录
- 从源文件到可执行文件
- 冯诺依曼机
- 系统的硬件组成
- 语言与翻译程序
- 计算机的性能指标
1.从源文件到可执行文件
- 预处理阶段：预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序，得到另一个C程序，通常以.i作为文件扩展名。
- 编译阶段：编译器（ccl）将文本文件hello.翻译成文本文件hello.s，它包含一个汇编语言程序。
- 汇编阶段：汇编器（as）将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。
- 链接阶段：hello程序调用了printf函数，printf函数存在于一个名为printf.o的单独的一个预编译好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中。链接器（ld）就负责处理这种合并。结果得到hello文件，它是一个可执行目标文件，可以被加载到内存中，由系统执行。
2.冯诺依曼机
冯诺依曼机基本思想
- 采用存储程序的工作方式。存储程序的基本思想是：将事先编制好的程序和原始数据送入主存后才能执行，一旦程序被启动执行，就无须操作人员的干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序结束。
- 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
- 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机能够区分它们。
- 指令和数据均用二进制代码表示。
“存储程序”工作方式
- 程序执行前，先把程序第一条指令的地址放入PC中。
- 按照PC的内容作为地址访问主存，取出指令。
- 取出指令后，计算机自动计算下调将执行指令的地址，并即刻送至PC。我们常用PC<-PC+”1”代表这个操作，其中“1”并非单纯地给PC存放的地址加1，而是将此时PC的内容加上当前指令的长度。
- 当前指令执行完后，根据PC的值到主存中即可取出下条将要执行的指令，从而周而复始地取出并执行一条条的指令。
3.系统的硬件组成
总线
- 贯穿整个系统的一组电子管道称为总线。
- 它携带信息字节并负责在各个部件间传递。
I/O设备
- 系统与外部世界的联系通道。
- 每个I/O设备都通过一个控制器/适配器与I/O总线相连，二者的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。
主存
- 一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。
- 从物理上来说，主存由一组DRAM芯片组成。
- 从逻辑上来说，存储器是一个线性的数组，每个字节都有其唯一的地址（按字节编址），这些地址是从零开始的。
CPU/处理器
- 解释/执行存储在主存中指令的引擎。
- CPU核心是一个大小为一个字的存储设备，称为程序计数器（PC）。任何时候，PC都指向主存中的某条机器语言指令。
- CPU内部包含运算器和控制器，前者用于接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理；后者作整个系统的指挥中枢，根据指令的要求指挥协调全机工作。
4.语言与翻译程序
三个级别的语言：
- 机器语言：计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
- 汇编语言：用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易记忆和理解。
- 高级语言：如C、C++等，方便程序设计人员写出解决问题的处理方案等程序。
三种程序：
- 汇编程序（汇编器）：将汇编语言程序翻译为机器语言程序。
- 编译程序（编译器）：将高级语言源程序一次翻译成目标程序（汇编语言、机器语言）。
- 解释程序（解释器）：将源程序的一条语句翻译成对应的机器目标代码并立即执行，并不形成目标程序。
编译程序产生目标代码的执行速度比解释程序的执行速度快。
5.计算机的性能指标
字长
机器字长：
- 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。
- 通常与CPU的寄存器位数、加法器有关。
存储字长：
- 一个存储单元存储的二进制代码的位数。
- 一般情况下等于机器字长，也可以是机器字长的整数倍。
指令字长：
- 一个指令字中包含的二进制代码的位数。
- 可以等于存储字长，也可以取存储字长的整数倍。
- 若指令字长等于存储字长，那么取指周期等于机器周期。
周期
时钟周期：
- 由CPU时钟定义的定长时间间隔，是CPU工作的最小时间单位。
- 可以理解成CPU内部有一个节拍器，每一个节拍的长度就是一个时钟周期。
机器周期：
- 也称为CPU周期。
- 为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。
- 一般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期组成。
指令周期
- CPU要执行一条机器指令经过的时间，由若干机器周期组成。
- 指令周期的时长由指令具体要执行的操作决定。
主频
- 机器内部时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。
- 主频通常以Hz为单位，1Hz表示每秒一次。
- CPU时钟周期=1/主频。
- 1kHz=每秒10^3次=CPU时钟周期为1/10^3S=每秒10^3个时钟周期。
CPI
- Cycle Per Instruction，即执行一条指令所需的时钟周期数。
- CPI一般是一个平均值，对于一个程序来说，其CPI指这个程序的所有指令执行所需的平均时钟周期数。
执行一条指令的耗时=CPIxCPU时钟周期。
CPU执行时间
- 指运行一个程序所花费的时间，
- CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数xCPI）/主频=CPU时钟周期数xCPU时钟周期
MIPS
- Million Instructions Per Second，即每秒执行多少百万条指令。
- MIPS=指令条数/（执行时间×10^6）=主频/（CPIx10^6）