第1章计算机系统概论
1.1计算机系统简介
1.1.1 计算机软、硬件的概念
硬件：计算机的实体部分，看得见摸得着的各种电子元器件。
软件：由实现编制的具有各类特殊功能的程序组成，看不见摸不着。
1.1.2 计算机系统的层次结构
1.现代计算机的解题步骤：
2.计算机系统的层次结构：
一级层次：早期计算机只有机器语言（即用0、1代码表示的语言），用户必须用二进制0、1代码来编写程序（即机器语言）。
二级层次：符号式的程序设计语言，即汇编语言。它用符号ADD、SUB、MUL、DIV等分别表示作加、减、乘、除等操作，并用符号表示指令或数据所在存储空间的地址。
三级层次：高级语言，接近于人们使用习惯的语言，如FORTRAN、BASIC、PASCAL、C等。
四级层次：由于软件的发展，使实际机器M1向上延申构成了各种虚拟机器。
M1机器内部也可向下延申而形成下一级的微程序机器M0。
M0机器是直接将M1机器中每一条机器指令翻译成一组微指令，即构成一个微程序。
实际上，在实际机器M1与虚拟机器M2之间，还有一级虚拟机器，它是由操作系统软件构成的。
1.1.3 计算机体系结构和计算机组成
计算机体系结构（有无乘法指令）：程序员所见到的计算机系统的属性，概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机组成（如何实现乘法指令）：实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）
1.2 计算机的基本组成
1.2.1冯.诺伊曼型计算机
冯.诺伊曼提出了“存储程序”和“采用二进制编码”的思想、新型计算机五大组成部件和逻辑设计。
现代计算机都是建在冯.诺伊曼提出的“存储程序”和“程序控制”的理论基础上的。其特点是：
.计算机由五大部件组成
.指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访
.指令和数据用二进制表示
.指令由操作码和地址码组成
.指令按顺序存放，自动执行
.以运算器为中心
1.2.2计算机的硬件框图
冯.诺伊曼计算机硬件框图—以运算器为中心
输入设备：将信息转换成机器能识别的形式
输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式
存储器：存放数据和程序
控制器：指挥程序运行
运算器：算数运算、逻辑运算
现代计算器硬件框图--以存储器为中心
现代计算机组成框图
现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备、主存储器MM(Main Memory) 。
CPU与MM合起来又可称作主机，I/O设备可叫做外部设备。
1.2.3计算机的工作步骤
1.上机前的准备
.建立数学模型
.确定计算方法
.编制解题程序
编程举例：计算a*x2+bx+c程序清单：
2.计算机的工作过程
ALU：Arithmetic logic unit ,算术逻辑单元
ACC：Accumulator，累加器
MQ：multiplier-quotient register，乘商寄存器
CU：Control Unit，控制单元
IR：Instruction Register，指令寄存器
PC：Program Counter，程序计数器
MAR: Memory Address Register,存储器地址寄存器
MDR：Memory Data Register，存储器数据寄存器
- 存储器的基本组成
存储体——存储单元——存储元件（0/1）
大楼——房间——床位（无人/有人）
.存储单元：存放一串二进制代码
.存储字：存储单元中二进制代码的组合
.存储字长：存储单元中的二进制代码的位数
.按地址寻访：每一个存储单元赋予一个地址号
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
设 MAR=4位，MDR=8位
存储单元个数24,存储字长8
2.运算器的基本组成和操作过程
.包括3个寄存器（现代计算机内部往往设有通用寄存器组）和1个算术逻辑单元（ALU）
.ACC:累加器，MQ：乘商寄存器，X:操作数寄存器
.不同的运算，所存放的操作数类别各不相同
.加法操作过程
.减法操作过程
.乘法操作过程
.除法操作过程
- 控制器的基本组成
- 主机完成一条指令的过程
. 以取数指令为例
. 以存数指令为例
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.3.1机器字长
.CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关。
.字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。
.机器字长也会影响机器的运算速度。如果CPU字长较短，又要运算位数较多的数据，需要经过两次或多次的运算才能完成，这样势必影响整机的运行速度。
.机器字长对硬件的造价也有较大的影响。
.直接影响加法器（或ALU）、数据总线以及存储字长的位数。
.机器字长的确定不能单从精度和数的表示范围来考虑。
1.3.2存储容量
.存放二进制信息的总数量
1.3.3运算速度
普通法
.用完成一次加法或乘法所需要的时间来衡量运算速度（早期使用、不合理
吉普森（Gibson）法
.综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比
.TM为机器运行速度
.fi为第i种指令占全部操作的百分比数
.ti为第i种指令的执行时间
现代计算机的运行速度
CPI：Cycle Per Instruction，执行一条指令所需要的时钟周期数
MIPS：Million Instructions Per Second,每秒执行的百万条指令数
主频：每秒的时钟频率，即每秒产生多少时钟周期数
MIPS：主频/CPI
CPU的性能（CPU执行时间）取决于三要素：主频、CPI、指令条数
CPU执行时间=CPU的时钟周期数/主频=指令条数*CPI/主频