计算机组成原理——计算机系统层次结构

计算机硬件

冯诺依曼机特点：
1、采用 “存储程序” 的工作方式。
2、计算机硬件系统由5大部件组成——输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器。
3、指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但是计算机可以区分。
4、指令和数据均用二进制代码表示。指令由操作码（指出操作的类型）和地址码（指出操作数的地址）组成。
5、以运算器为中心

现代计算机结构：
现代计算机通常以存储器为中心
CPU=运算器+控制器

输入设备：

将程序和数据以计算机能够识别和接受的形式输入计算机。

输出设备：

将计算机处理的结果以人们能够接受的形式或其他系统所要求的形式输出。

存储器：

分为主存储器（内存储器）和辅助存储器（外存储器）
CPU能够直接访问的是主存储器。
地址寄存器（MAR）：存放访存地址，位数反映存储单元的个数。4位就代表总共有2的4次方个存储单元。
数据寄存器（MDR）：暂存要从存储体中读或写的信息。位数等于存储字长。16位就表示，一个存储单元可以存放16bit，一个字=16bit

存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可以存放1bit
存储单元：每个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：存储单元中二进制代码的位数。

运算器：

计算机的执行部件，用于进行算术计算和逻辑计算。
累加器（ACC）：存放操作数、运算的结果。【必须要有】
乘商寄存器（MQ）：进行乘除法时用到。【必须要有】
操作数寄存器（X）：存放操作数。【必须要有】
变址寄存器（IX）
基址寄存器（BR）
※ 算术逻辑单元（ALU）：用电路实现各种算术运算、逻辑运算。
此外还有程序状态寄存器（PSW），又称标志寄存器

控制器：

计算器的指挥中心，指挥各部件自动协调的进行工作。
程序计数器（PC）：存放下一条指令地址，有自动加1的功能。
指令寄存器（IR）：存放当前执行的指令。
※ 控制单元（CU）：分析指令，给出控制信号。

计算机系统的层次结构

下层是上层的基础，上层是下层的扩展。
虚线以上向上提供“广义指令”。
传统机器M1，执行二进制指令。

三个级别的语言：

高级语言：C/C++；Java等。
汇编语言：助记符。
机器语言：二进制代码。

五个层次：
从下到上：微程序机器层、传统机器语言层、操作系统层、汇编语言层、高级语言层。

编译程序： 将高级语言编写的源程序全部语句一次性全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序。（只需要翻译一次）。生成.exe文件
解释程序： 将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句（每次执行都要翻译）。e.g.Javascript、Python、Shell。
汇编程序： 将汇编语言程序翻译成机器语言程序。

计算机的性能指标

总容量： 存储器所能存储信息的最大容量。
总容量=存储单元个数x存储字长 bit=存储单元个数x存储字长/8 Byte
CPU主频： CPU内数字脉冲信号振荡的频率。（单位：Hz）
CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期。（单位：微秒、纳秒）
CPU主频=1/CPU时钟周期
CPI： 执行一条指令所需要的时钟周期。
执行一条指令的耗时=CPIxCPU时钟周期
IPS： 每秒执行多少条指令。
IPS=主频/平均CPI
FLOPS： 每秒执行多少次浮点运算。
数据通路带宽： 数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）
吞吐量： 指系统在单位时间内处理请求的数量。
响应时间： 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得他所需要的结果的等待时间。
**基准程序：**用来测量计算机处理速度的一种实用程序，以便于被测量的计算机性能可以与运行相同程序的其他计算机性能进行比较。