计算机系统概述 | 彩潭有鲤的札记

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计算机系统简介

现代计算机的多态性

物联网：把传感器嵌入到设备当中，如嵌入到电网，铁路，桥梁，隧道，公路，建筑，供水系统，大坝，油气管道等。可以将物联网视作最大的计算机，而将传感器（如电子温度计等）视为最小的计算机。

计算机的软硬件概念

计算机系统由软硬件组成，硬件是计算机的实体，软件是利用硬件执行的程序

软件的分类：系统软件和应用软件

操作系统是底层的系统软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，也是其他系统软件和应用软件能够在计算机上运行的基础。操作系统实际上是一组程序，它们用于统一管理计算机中的各种软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，协调计算机系统各部分之间、系统与用户之间、用户与用户之间的关系。操作系统在计算机系统中占有非常重要的地位。

人们要利用计算机解决实际问题，首先要编制程序。程序设计语言就是用来编写程序的语言，它是人与计算机之间交换信息的渠道。程序设计语言一般分为机器语言、汇编语言和高级语言3类。

机器语言是底层的计算机语言。用机器语言编写的程序，计算机硬件可以直接识别。
汇编语言是为了便于理解与记忆，将机器语言用助记符代替而形成的一种语言。
高级语言与具体的计算机硬件无关，其表达方式接近于人描述问题的方式，易为人们所接受和掌握。用高级语言编写程序要比低级语言容易得多，并大大简化了程序的编制和调试，使编程效率得到大幅度的提高。高级语言的显著特点是独立于具体的计算机硬件，并且通用性和可移植性好。

语言处理程序就是把汇编或高级语言程序翻译成计算机硬件可以直接处理的机器语言，存放于计算机内存中。供计算机系统执行。因此语言处理程序与程序设计语言、具体硬件类型是密切相关的，程序设计语言和硬件不同时，必须配以相应的语言处理程序。

随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展，要求大量处理某些数据，建立和检索大量的表格。如果将这些数据和表格按一定的规律组织起来。可以使得这些数据和表格处理起来更方便，检索更迅速，用户使用更方便，于是出现了数据库。数据库就是相关数据的集合。数据库和管理数据库的软件构成了数据库管理系统。常用的关系数据库有Access、Sybase、Oracle、SQI。Server和DB2等。

服务程序有编辑程序、计算机硬件初始化程序和测试排错程序等，主要用于计算机设备自身的应用服务。例如，内存检查，优化管理，磁盘格式化、查错，光盘写入，网络连接等都属于服务程序。

计算机系统的层次结构

一个简单的层次结构：

硬件进行了相对的封装，它为软件提供了接口，例如指令集；系统软件利用硬件提供的接口完成自己的功能，例如提供人机交互界面；应用软件利用系统软件提供的接口调用系统软件功能来实现自己的功能。

机器语言->汇编语言->高级语言

微指令系统->机器语言，微指令语言构成了机器语言

汇编语言使用了操作系统的中断

计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构是程序员眼中的计算机。程序员眼中的计算机有指令集、数据类型、寻址技术等。只要两个计算机指令集、数据类型、寻址类型等相等，就说这两个计算机体系结构相同。

计算机组成是体系结构的具体实现形式。

一个计算机是否具有乘法指令的功能，这是结构问题，而用什么方式实现乘法，就是组成问题。实现乘法可以用一个专门的乘法电路，也可以用连续相加的加法电路来实现，这两者的区别就是组成问题。

计算机的基本组成

冯诺依曼计算机的特点

将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构

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，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

存储程序

以运算器为中心

冯诺依曼瓶颈：CPU和存储器速率之间的问题无法调和

冯·诺依曼计算机硬件框图

计算机硬件框图

以存储器为中心的计算机硬件框图

虚线表示控制和状态反馈，实线表示数据通路。

运算器为中心，成为计算机发展的瓶颈，因为运算器过于繁忙

现代计算机硬件框图

层次化（Hierachy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块

模块化（Modularity）：有明确定义的功能和接口

规则性（regularity）：模块更容易被重用

计算机的工作步骤

上机前的准备

建立数学模型

确定计算方法

编制解题程序程序 ——运算的全部步骤

指令 ——每一个步骤

编程举例

计算 程序清单

解题过程

存储器的基本组成

运算器的基本组成及操作过程

加法操作：将内存M中的数字送到X中，通过ALU将X与ACC相加，得到的值送到ACC中。这些动作都是由控制器来控制的。

控制器的基本组成：

控制器的功能：解释指令，保证指令的按序执行

完成一条指令：取指令，分析指令，执行指令

PC：当前预执行的指令地址

IR：指令寄存器，当前要执行的指令

CU：控制单元，发出控制信号

一条指令的完成过程：

取数指令的过程：取指令，分析指令，执行指令

首先PC存放执行的指令的地址，将PC中的值送到MAR中，取指令，存储体将对应地址放入MDR中，MDR将取出的数据放入IR中，IR将指令放入控制单元CU中，CU输出指令到CPU中，控制单元根据指令的结构，来判断是否需要取出指令中的操作数，如果要就将IR中的操作数部分传入MAR，取操作数MDR将操作数放入ACC中，控制单元在更具指令进行对应的运算。这里主要的操作是读取内存的操作。

描述：首先PC存放执行的指令的地址，将PC中的值送到MAR中，取指令，存储体将对应地址放入MDR中，MDR将取出的数据放入IR中，IR将指令放入控制单元CU中，CU输出指令到CPU中，控制单元根据指令的结构，来判断是否需要将数据写入内存中，如果需要，将IR中的操作数部分传入MAR中，再将ACC中的数据传入MDR中，再写入存储体中。

程序的运行过程

计算机硬件的主要技术指标

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

运算速度：

存储容量：