计算机系统概述

以下具体框架来自华中科技大学 谭志虎 老师，本人根据框架补充自己的一些体会和见解。仅当作学习笔记使用

Target：

一、计算机系统概述

• 计算机系统层次结构

  • 计算机系统的基本组成

    • 硬件系统
      • 看得见的物理实体，电子线路和电子元件等
    • 软件系统
      • 解决问题的思想、方法，包括程序和数据
      • 分为
    • 固件
      • 固化的软件，firmware，本质是软件
    • 软硬件功能逻辑等效
      • 同一功能即可软件实现，也可以硬件实现
      • 软件灵活性高，性能差，成本低
      • 硬件效率高，成本高
      • 功能划分要折中考虑
    • 分层结构
      • 软件层（虚拟计算机）
        • 高级语言层
        • 汇编语言层
        • 操作系统层
      • 硬件层
        • 指令集架构层（机器语言层）
        • 微代码层（可选）（微程序解释机器指令）
        • 逻辑门层 （实体硬件）
      • 图解
        • 
        • ps：先编译后汇编

  • 计算机硬件的基本组成

    • 冯·诺依曼结构

      • 思想：存储程序&程序控制
        • 存储程序：将解题步骤编制成程序，然后将程序和运行程序所需要的数据储存到存储器中（以二进制），方便执行。
        • 程序控制则是计算机中控制器逐条去除存储器中的指令，并按照顺序执行，控制各部件完成相应操作，完成数据的加工处理。
      • 组成：5大功能部件
        • 存储器：存放程序和数据，按地址访问
        • 运算器：执行算术运算和逻辑运算
        • 控制器：根据指令的操作码、指令执行过程中的条件状态、时序系统等三方面的因素来产生指令执行过程中所需要的控制信号，控制指令的执行；
        • 输入设备：将信息输入到计算机的外部设备，如键盘、鼠标等。
        • 输出设备：输出计算机处理结果的外部设备。如显示器、打印机等
      • 图解：早期计算机以运算器为中心，现代计算机以存储器为中心
        • reason：早期主要是运算速度慢，现在瓶颈在于存储器
        • 

    • 冯·诺依曼计算机特点

      • 组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备

      • 存储程序

        • 指令和数据以二进制形式存放在存储器中
        • 指令顺序存放，存储器按地址访问

      • 程序控制

        • 程序运行时，控制器逐条从主存中取出指令，控制全机相关部件执行相应操作，完成指令的功能直至完成程序的功能。
        • 由指令控制计算机的运行
        • 由控制器来控制数据的存取及程序的执行
          • 程序顺序执行，遇到分支指令可能改变顺序

  • 计算机软件系统分类

    • 应用软件
      • 解决应用问题的程序集合
      • 如数据处理程序、情报检索程序等
    • 系统软件
      • 管理和调度计算机，方便用户使用计算机并提高使用效率的程序的集合
      • 操作系统、数据库管理系统
      • 分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序
      • 语言处理程序
        • 编译器：将高级语言转换成汇编语言
        • 汇编器：将汇编语言转换成机器指令
        • 解释器：将高级语言直接翻译成机器指令 如JAVA

  • 计算机系统的工作过程

    • 工作过程
      • CPU不断从主存中逐条取出指令，控制器对指令进行译码分析，计算下条指令地址，并生成完成指令所需各种操作信号序列，控制功能部件依序形成对应数据通路，从而实现指令功能，再取下条指令，执行直至程序中全部指令执行结束
    • CPU如何执行程序
      • 将可执行程序和数据存放在主存中（存储程序）
        • 可执行程序为机器语言编写的代码
      • CPU上电后即开始取指令、执行指令的死循环（程序控制）
        • 上电后从固定位置开始取指令
        • 第一条指令是固化的BIOS程序
        • BIOS负责硬件自检，最后引导OS
        • OS负责加载可执行目标程序
      • 单条指令执行过程
        • 取指令
        • 指令译码（分析指令功能，计算下条指令地址）
        • 指令执行
      • 程序执行的过程
        • 循环取指令执行机器指令的过程
    • 高级语言程序→可执行目标程序
      • 编译型高级语言转换流程
        • 
      • 预处理
        • 预处理器对源程序中以#开头的命令进行处理
        • 如#include命令后面的.h文件内容插入程序文件
        • 输出是一个以.i为扩展名的源文件hello.i，还是C程序
      • 编译
        • 编译器对预处理后的源程序进行编译
        • 生成一个汇编语言程序hello.s，文本文件
      • 汇编
        • 汇编器将hello.s 翻译成机器语言指令
        • 输出为可重定位目标文件的hello.o，二进制文件
      • 链接
        • 链接器将多个可重定位目标文件和标准库函数合并
        • 输出为一个可执行目标程序hello，二进制文件
      • 解释性高级语言边解释，边执行，不生成目标代码

• 计算机系统性能指标

  • 静态性能指标
  • 机器字长
    • CPU一次处理的数据位数
    • 与寄存器、运算器、数据总线的位宽相等
    • 决定数据表示范围和精度
  • 主存容量
    • 主存储器所能存储信息的最大容量
  • 时间相关性能指标
  • 吞吐量
    • 系统在单位时间内处理请求的数量
  • 响应时间
    • 用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出相应并获得结果所用的时间
    • 响应时间越短，吞吐率越大
    • 程序执行时间=CPU时间+等待时间（磁盘、存储器访问、I/O操作、OS开销）
  • CPU时钟周期
    • CPU仅完成一个最基本的动作。是时钟频率的倒数，是处理操作最基本的时间单位
  • 主频
    • 时钟周期的倒数，同等条件下，频率越高，性能越好
    • 频率不可能无限提升，散热问题，串扰问题等
  • CPI
    • 执行每条指令所需的平均时钟周期数；clock cycle per instruction
    • CPI= {\displaystyle \sum_{i=1}^{n}{(CPI_i× P_i)} }= {\displaystyle \sum_{i=1}^{n}{(CPI_i× \frac{IC_i}{IC})} } CPI=i=1∑n(CPI**i×P**i)=i=1∑n(CPI**i×ICICi)
  • IPC
    • 每个时钟执行的指令条数
    • IPC=1/CPIIPC=1/CPI
  • CPU执行时间
    • 程序执行期间真正消耗CPU的时间
      • *T_{cpu}= CPI× IC× T *Tcpu*=*CPI*×*IC*×*T**
  • MIPS
    • 每秒执行多少百万条指令数量 Million Instructions Per Second
    • *MIPS= f/(CPI× 10^6 ) *MIPS*=*f*/(*CP**I*×106)*
    • 全性能公式
      • MIPS=IPC× f MIP**S=IPC×f
      • 时钟频率 f 的单位为 MHz
  • MFLOPS
    • 每秒执行多少百万次浮点操作
    • Million Floating-Point Operations Per Second
    • 用于衡量科学计算性能
    • 更大单位：TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS
    • 每个单位相差1000倍
    • 磁存储，网络数传率也使用10进制为单位，计算时需注意
      • 1TB硬盘=10^91T**B硬盘=109Byte
      • 100M宽带=100×10^6100M宽带=100×106Bit/s
  • 单一指标都不能准确评价性能，基准测试程序更靠谱
  • 考研真题
    • 真题1
      • 
    • 真题2
      • 

计组学习建议

• 构造观

  • 理解并掌握运算器，控制器等核心部件的结构和工作原理
  • 实现简单的设计

• 系统观

  • 就是要研究硬件系统与软件系统的协同与互动。
  • 从原理上说，可以对任何硬件都从程序员的角度来审视。
  • 另一方面，从硬件工程师的角度来审视程序设计的优化问题，即探究如何利用硬件的特性提升程序运行的性能和效率

• 工程观

  • 培养软硬件协同视角下的计算机系统开发和实现能力
  • 考虑工程的制约因素
  • 能有选择恰当技术和工具进行工程优化的意识