# 1.计算机系统的组成问题1计算机的发展呈现出两种趋势问题2我国目前运算速度最快的超级计算机每秒可进行多少次浮点计算2021年408第12题2.计算机的硬件2.1:冯 .诺依曼计算机2.1.1:存储程序”的概念冯 .诺依曼提出了存储程序这一思想即将事先编制好的程序和原始数据以二进制的形式送入主存后才会执行一旦程序被启动执行就无需操作人员的干预计算机会自动逐条的执行指令直至程序执行结束。基于这一思想世界上第一台采用冯 .诺依曼结构的计算机(EDVAC)诞生了。2.1.2:冯 .诺依曼计算机的六大特点2.1.3冯 .诺依曼计算机的结构2.1.4冯 .诺依曼计算机的缺陷是什么如何改进的冯 .诺依曼计算机是以运算器为中心的每次进行输入/输出操作(简称为I/O操作)时都需要运算器参与,占用了许多可以用于运算的时间为了解决这一缺陷现代计算机变成了以存储器为中心使得I/O设备可直接与存储器进行数据交换提高了计算机整体的效率。2.2五大部件的功能1.输入设备将需要计算机处理的信息转换成计算机能够识别的形式(二进制形式)。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。2.输出设备将计算机的运算结果转换成人们熟悉的信息形式。常见的输出设备有显示器、打印机等。2.3现代计算机的结构2.3.1习题2.4:主存储器、运算器、控制器的基本组成补充:寄存器的概念2.4.1:主存储器的基本组成2.4.2:运算器的基本组成2.4.3:控制器的基本组成3.计算机的软件程序是软件的重要组成部分一台计算机中的全部程序和数据就构成了这台计算机的软件系统。3.1:软件的分类3.2:编程语言的发展3.2.1程序设计语言与翻译程序的关系3.2.2:使用gcc编译C语言程序的例子3.3:软件的发展3.3.1相关的考研真题4.计算机系统的层次结构4.1:计算机系统的分层思想4.1.1:计算机系统各层级之间的关系下层是实现上层的基础上层实现对下层的功能扩展5.软件与硬件的逻辑功能等价性5.1:软、硬件逻辑功能等价的示例想要实现乘法运算既可以在运算器中设计一个专门的硬件电路来实现乘法运算只需要一条乘法指令运算器就会给出运算的结果采用硬件实现。也可以将乘法运算转换成多次的加法运算然后执行多次加法指令就可以得出结果采用软件实现。5.1.1习题5.2:指令集体系结构(ISA :Instruction Set Architecture)ISA是软件和硬件之间的界面。设计计算机系统的ISA就是要定义一台计算机能支持哪些指令以及每条指令的作用是什么每条指令的用法是什么。为了综合考虑到性能与成本的平衡我们在设计计算机系统时就需要考虑到计算机系统的ISA。6.计算机的基本工作原理难本节内容相当于课程全部章节的概述目的是让同学们对计算机的基本工作原理有一个初步的、整体的印象。对于没有学习过相关先修课程的跨专业的同学本节内容的难度较大遇到实在无法理解的内容请不要“钻牛角尖”、也不要灰心暂时放过去随着后续各章内容的学习最终一定能够很好地理解本节的内容。6.1运算器的组成看到这里我们已经了解了运算器中算数逻辑单元ALU、累加器ACC、乘商寄存器MQ、操作数寄存器X各自的作用。只是暂时还不熟悉没关系我们再换一种表述方式进一步介绍ALU执行加减乘除的过程。6.2:主存储器的组成6.3:控制器的组成接下来我们将计算机的各个硬件进行细化。6.4:编写a * b c 的机器指令程序难6.5计算机的工作过程难6.5.1总结一条指令的周期包括取指令、分析指令、执行指令这三个阶段。每条指令的前面两个阶段即取指令和分析指令的执行过程都一样只有分析完指令之后CU才能知道这条指令是干嘛的接下来就执行该指令。指令和数据都是以二进制的形式存储那么CPU如何知道从内存中取出的是指令还是数据呢答案根据指令周期的不同阶段CPU就可以区分出从内存取出的是指令还是数据了。再说的详细点在取指令阶段凡是从PC中存储的地址所对应的存储单元中取出的内容CPU会将其视为指令在分析指令阶段IR会将该指令的操作码送到CU中CU经过分析后就知道这条指令是干嘛的(比如指令要执行的是加法操作)于是准备执行该指令在指令执行阶段凡是从该指令的地址码所对应的存储单元中取出的内容CPU会将其视为数据。7.计算机系统的性能指标① 计算机系统的性能指标是用来衡量计算机系统在各种操作和任务中的工作效率、执行速度以及处理能力的标准。② 计算机系统的性能指标可以帮助人们评估计算机系统的整体表现从而更好地了解系统在不同方面的优势和限制。7.1:补充与容量相关的单位及其转换7.2:主存的容量7.3:CPU的性能指标7.4:系统整体的性能指标7.5:思考几个问题问题1:主频高的CPU一定比主频低的CPU运算速度快吗不一定。比如第一个CPU的主频为2GHz平均CPI为10第二个CPU的主频为1GHz平均CPI为1。对于第一个CPU而言1秒内可以执行0.2G条指令第二个CPU一秒内可以执行1G条指令显然第二个CPU的运算速度更快。问题2:当两个CPU的平均CPI相同时主频高的CPU的运算速度更快吗不一定还需要看指令系统。假设主频高的CPU不支持乘法指令而主频低的CPU支持乘法指令进行乘法运算时主频高的CPU需要将乘法运算转换成多次加法运算而主频低的CPU可以直接执行乘法指令。问题3:基准程序执行得越快能够说明机器的性能越好吗不能跑分仅供参考不能完全说明性能的好坏。8.计算机系统的性能指标重点内容 ① 计算机系统的性能指标是用来衡量计算机系统在各种操作和任务中的工作效率、执行速度以及处理能力的标准。② 计算机系统的性能指标可以帮助人们评估计算机系统的整体表现从而更好地了解系统在不同方面的优势和限制。8.1基本性能指标8.1.1机器字长8.1.2主存容量8.1.3吞吐量8.1.4响应时间8.1.5考研真题8.2与运算速度相关的性能指标8.2.1CPU时钟频率即主频与时钟周期8.2.2CPI难理解8.2.3CPU执行时间8.2.4IPC8.2.5MIPS8.2.6MFLOPS8.3408真题1.易2.易容易选错3.(有坑容易选错)4.(有坑)5.(易)6.(易)7.(易)8.(易) 第一章:计算机系统概论
# 1.计算机系统的组成问题1计算机的发展呈现出两种趋势问题2我国目前运算速度最快的超级计算机每秒可进行多少次浮点计算2021年408第12题2.计算机的硬件2.1:冯 .诺依曼计算机2.1.1:存储程序”的概念冯 .诺依曼提出了存储程序这一思想即将事先编制好的程序和原始数据以二进制的形式送入主存后才会执行一旦程序被启动执行就无需操作人员的干预计算机会自动逐条的执行指令直至程序执行结束。基于这一思想世界上第一台采用冯 .诺依曼结构的计算机(EDVAC)诞生了。2.1.2:冯 .诺依曼计算机的六大特点2.1.3冯 .诺依曼计算机的结构2.1.4冯 .诺依曼计算机的缺陷是什么如何改进的冯 .诺依曼计算机是以运算器为中心的每次进行输入/输出操作(简称为I/O操作)时都需要运算器参与,占用了许多可以用于运算的时间为了解决这一缺陷现代计算机变成了以存储器为中心使得I/O设备可直接与存储器进行数据交换提高了计算机整体的效率。2.2五大部件的功能1.输入设备将需要计算机处理的信息转换成计算机能够识别的形式(二进制形式)。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。2.输出设备将计算机的运算结果转换成人们熟悉的信息形式。常见的输出设备有显示器、打印机等。2.3现代计算机的结构2.3.1习题2.4:主存储器、运算器、控制器的基本组成补充:寄存器的概念2.4.1:主存储器的基本组成2.4.2:运算器的基本组成2.4.3:控制器的基本组成3.计算机的软件程序是软件的重要组成部分一台计算机中的全部程序和数据就构成了这台计算机的软件系统。3.1:软件的分类3.2:编程语言的发展3.2.1程序设计语言与翻译程序的关系3.2.2:使用gcc编译C语言程序的例子3.3:软件的发展3.3.1相关的考研真题4.计算机系统的层次结构4.1:计算机系统的分层思想4.1.1:计算机系统各层级之间的关系下层是实现上层的基础上层实现对下层的功能扩展5.软件与硬件的逻辑功能等价性5.1:软、硬件逻辑功能等价的示例想要实现乘法运算既可以在运算器中设计一个专门的硬件电路来实现乘法运算只需要一条乘法指令运算器就会给出运算的结果采用硬件实现。也可以将乘法运算转换成多次的加法运算然后执行多次加法指令就可以得出结果采用软件实现。5.1.1习题5.2:指令集体系结构(ISA :Instruction Set Architecture)ISA是软件和硬件之间的界面。设计计算机系统的ISA就是要定义一台计算机能支持哪些指令以及每条指令的作用是什么每条指令的用法是什么。为了综合考虑到性能与成本的平衡我们在设计计算机系统时就需要考虑到计算机系统的ISA。6.计算机的基本工作原理难本节内容相当于课程全部章节的概述目的是让同学们对计算机的基本工作原理有一个初步的、整体的印象。对于没有学习过相关先修课程的跨专业的同学本节内容的难度较大遇到实在无法理解的内容请不要“钻牛角尖”、也不要灰心暂时放过去随着后续各章内容的学习最终一定能够很好地理解本节的内容。6.1运算器的组成看到这里我们已经了解了运算器中算数逻辑单元ALU、累加器ACC、乘商寄存器MQ、操作数寄存器X各自的作用。只是暂时还不熟悉没关系我们再换一种表述方式进一步介绍ALU执行加减乘除的过程。6.2:主存储器的组成6.3:控制器的组成接下来我们将计算机的各个硬件进行细化。6.4:编写a * b c 的机器指令程序难6.5计算机的工作过程难6.5.1总结一条指令的周期包括取指令、分析指令、执行指令这三个阶段。每条指令的前面两个阶段即取指令和分析指令的执行过程都一样只有分析完指令之后CU才能知道这条指令是干嘛的接下来就执行该指令。指令和数据都是以二进制的形式存储那么CPU如何知道从内存中取出的是指令还是数据呢答案根据指令周期的不同阶段CPU就可以区分出从内存取出的是指令还是数据了。再说的详细点在取指令阶段凡是从PC中存储的地址所对应的存储单元中取出的内容CPU会将其视为指令在分析指令阶段IR会将该指令的操作码送到CU中CU经过分析后就知道这条指令是干嘛的(比如指令要执行的是加法操作)于是准备执行该指令在指令执行阶段凡是从该指令的地址码所对应的存储单元中取出的内容CPU会将其视为数据。7.计算机系统的性能指标① 计算机系统的性能指标是用来衡量计算机系统在各种操作和任务中的工作效率、执行速度以及处理能力的标准。② 计算机系统的性能指标可以帮助人们评估计算机系统的整体表现从而更好地了解系统在不同方面的优势和限制。7.1:补充与容量相关的单位及其转换7.2:主存的容量7.3:CPU的性能指标7.4:系统整体的性能指标7.5:思考几个问题问题1:主频高的CPU一定比主频低的CPU运算速度快吗不一定。比如第一个CPU的主频为2GHz平均CPI为10第二个CPU的主频为1GHz平均CPI为1。对于第一个CPU而言1秒内可以执行0.2G条指令第二个CPU一秒内可以执行1G条指令显然第二个CPU的运算速度更快。问题2:当两个CPU的平均CPI相同时主频高的CPU的运算速度更快吗不一定还需要看指令系统。假设主频高的CPU不支持乘法指令而主频低的CPU支持乘法指令进行乘法运算时主频高的CPU需要将乘法运算转换成多次加法运算而主频低的CPU可以直接执行乘法指令。问题3:基准程序执行得越快能够说明机器的性能越好吗不能跑分仅供参考不能完全说明性能的好坏。8.计算机系统的性能指标重点内容 ① 计算机系统的性能指标是用来衡量计算机系统在各种操作和任务中的工作效率、执行速度以及处理能力的标准。② 计算机系统的性能指标可以帮助人们评估计算机系统的整体表现从而更好地了解系统在不同方面的优势和限制。8.1基本性能指标8.1.1机器字长8.1.2主存容量8.1.3吞吐量8.1.4响应时间8.1.5考研真题8.2与运算速度相关的性能指标8.2.1CPU时钟频率即主频与时钟周期8.2.2CPI难理解8.2.3CPU执行时间8.2.4IPC8.2.5MIPS8.2.6MFLOPS8.3408真题1.易2.易容易选错3.(有坑容易选错)4.(有坑)5.(易)6.(易)7.(易)8.(易)