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第一章 計算機系統概論#

1.1 計算機的分類#

電子模擬計算機#

特點：數值由連續量來表示，運算過程也是連續的

電子數字計算機#

特點：按位運算，並且不連續地跳動計算。
電子模擬計算機精度和解題能力有限，應用範圍較小，習慣上所稱的電子計算機，一般是指現在廣泛應用的電子數字計算機。又分為專用計算機和通用計算機，

• 專用計算機是最有效、最經濟和最快速的計算機，但其適應性很差。
• 通用計算機犧牲了效率、速度和經濟性，但其適應性很大。

1.2 計算機發展簡史 （重點）#

自 1946 年計算機誕生至今，大約每五年運算速度提高 10 倍，可靠性提高 10 倍，體積縮小 10 倍。

摩爾定律#

1965 年，戈登・摩爾（原 Intel 董事長）提出。

晶體管表面積（即刻在集成電路板上的面積）每 18 個月就會縮小大約 50%。換言之，微處理器的性能每隔 18 個月提高一倍，而價格下降一半

1.3 計算機的性能指標#

吞吐量#

• 表示一台計算機在某一時間間隔內能夠處理的信息量，單位是字節 / 秒（B/S）

響應時間#

• 表徵從輸入有效到系統產生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10^-6^s）、納秒（10^-9^s）。

利用率#

• 表示在給定的時間間隔內，系統被實際使用的時間所佔的比率，一般用百分比表示。

處理機字長#

• 指處理機運算器中一次能夠完成二進制數運算的位數。當前處理機的字長有 8 位、16 位、32 位、64 位。字長越長，表示計算的精度越高。

總線寬度#

• 一般指 CPU 中運算器與存儲器之間進行互連的內部總線二進制位數。

存儲器容量#

• 存儲器中所有存儲單元的總數目，通常用 KB、MB、GB、TB 來表示。
• 其中 1K=2^10^B，1M=2^20^B，1G=2^30^B，1T=2^40^B，1B=8bit（1 個字節）。存儲器容量越大，記憶的二進制數越多。

存儲器帶寬　#

• 存儲器的速度指標，單位時間內從存儲器讀出的二進制數信息量，一般用字節數 / 秒表示。

主頻 / 時鐘周期#

• CPU 的工作節拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫 CPU 的主頻。
• 度量單位是 MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。 例如 Pentium 系列機為 60MHz～266MHz，而 Pentium 4 升至 3.6GHz。
• 主頻的倒數稱為 CPU 時鐘周期（T），即 T=1/f，度量單位是微秒、納秒。

CPU 執行時間　#

• 表示 CPU執行一段程序所佔用的 CPU 時間，可用下式計算：
  $CPU執行時間 ＝ CPU時鐘周期數 × CPU時鐘周期長$

CPI#

• 表示每條指令周期數，即執行一條指令所需的平均時鐘周期數。用下式計算
• $CPI= \frac{執行某段程序所需的CPU時鐘周期數}{該程序包含的指令條數}$

MIPS#

• 表示每秒億次指令數，用下式計算
  $MIPS = \frac{指令條數}{程序執行時間\times10^6} = \frac{時鐘頻率}{CPI\times10^6}$
• MIPS 是單位時間內的執行指令數，所以MIPS 值越高，說明機器速度越快。
  程序執行時間 Te 為：
  $Te= \frac{指令條數}{MIPS×10^6}$

MFLOPS / TFLOPS#

• MFLOPS 表示每秒億次浮點操作次數，用下式計算
  $MFLOPS= \frac{程序中的浮點操作次數}{程序執行時間\times10^6}$
• MFLOPS 是基於操作而非指令的，只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現機器的整體性能。TFLOPS表示每秒萬億次浮點操作次數，該技術指標一般在超級計算機中使用。

1.4 馮・諾依曼體系結構（重點）#

馮・諾依曼計算機基本設計思想：存儲程序和程序控制！
擁有以下特點

1. 由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備五大部件組成計算機系統，並規定了這五部分的基本功能。
2. 採用存儲程序的方式，程序和數據放在同一個存儲器中（哈佛結構放在不同存儲器中），指令和數據都可以送到運算器運算，即由指令組成的程序是可以修改的。
3. 數據以二進制數碼表示。
4. 指令由操作碼和地址碼組成。
5. 指令在存儲器中按順序存放，由指令計數器（PC） 指明要執行的指令所在單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結果或外界條件改變。
6. 機器以運算器為中心，I/O 設備與存儲器間數據傳送都通過運算器。

1.5 計算機系統的層次結構#

計算機不能簡單地認為是一種電子設備，而是一個十分複雜的硬、軟件結合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設計。

層次結構的特點#

• 每一級上都能進行程序設計，且得到下面各級的支持
• 第 1 級～第 3 級所用語言基本為二進制語言，機器執行和解釋容易
• 第 4 級、第 5 級採用符號語言，有利於不了解硬件的人使用計算機
• 級數越低越靠近硬件，級數越高使用計算機越方便;

第 1 級 微程序設計級#

第 1 級是微程序設計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執行微指令。如果某一個應用程序直接用微指令來編寫，那麼可在這一級上運行應用程序。

第 2 級 一般機器級#

第 2 級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統。這一級也是硬件級。

第 3 級 操作系統級#

第 3 級是操作系統級，它由操作系統程序實現。這些操作系統由機器指令和廣叉指令組成，廣義指令是操作系統定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。

第 4 級 汇编語言級#

第 4 級是汇编語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的複雜性。這一級由汇编程序支持和執行。如果應用程序採用汇编語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應用程序不採用汇编語言編寫，則這一級可以不要。

第 5 級 高級語言級#

第 5 級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執行。