計(jì)算機(jī)的工作過程及性能指標(biāo)介紹

1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展：

第一代計(jì)算機(jī)（1946-1957）：邏輯元件：電子管、機(jī)器語言編程

第二代計(jì)算機(jī)（1958-1964）：邏輯元件：晶體管、開始使用高級(jí)語言：

fortran

第三代計(jì)算機(jī)（1965-1971）：邏輯元件：較小規(guī)模的集成電路、高級(jí)語言迅速發(fā)展

第四代計(jì)算機(jī)（1972至今）：邏輯元件：較大規(guī)模的集成電路、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（微處理器、流水線、高速緩存等）

1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)共同構(gòu)建起來

硬件：有形的物理設(shè)備，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際裝置的總稱

軟件：在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔

計(jì)算機(jī)功能部件

1.輸入設(shè)備 ：

是指將程序和數(shù)據(jù)（外部信息）以計(jì)算機(jī)能識(shí)別和接受（讀懂）的方式輸入進(jìn)來，如鍵盤，鼠標(biāo)等。

2.輸出設(shè)備 ：

就是將計(jì)算機(jī)處理的信息以人所能接受的方式輸出出來，比如顯示屏，打印機(jī)。

3.存儲(chǔ)器 ：是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件，用來存放程序和數(shù)據(jù)

主存儲(chǔ)器的組成:

注：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)常把地址寄存器（MAR) 和數(shù)據(jù)寄存器(MDR)存在于CPU中

（后續(xù)第三章介紹）

地址寄存器(MAR)：存放地址，經(jīng)過地址譯碼后找到所選的存儲(chǔ)單元；

數(shù)據(jù)寄存器(MDR)：用于暫存從存儲(chǔ)器中讀或?qū)懙男畔?/p>

存儲(chǔ)體：存放二進(jìn)制信息

時(shí)序控制邏輯：產(chǎn)生存儲(chǔ)器操作所需的各種時(shí)序信號(hào)(讀、寫操作等)

存儲(chǔ)字（word）：存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合(可以為n*8bit即 8 16 32 64等)

存儲(chǔ)字長：存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)（長度）

存儲(chǔ)元件：1bit（以dram為例 即為一個(gè)柵級(jí)電容 只能存儲(chǔ)一為信息）

即：存儲(chǔ)體由多個(gè)存儲(chǔ)單元組成，存儲(chǔ)單元由多個(gè)存儲(chǔ)元件組成

4.運(yùn)算器 :是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單元，用于算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算

運(yùn)算器的核心單元是算術(shù)邏輯單元(ALU)

5.控制器

一般將運(yùn)算器和控制器集成到同一個(gè)芯片上，稱為中央處理器(CPU)

計(jì)算機(jī)軟件分類

系統(tǒng)軟件：保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件

包括操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，語言處理系統(tǒng)(比如編譯器)，分布式軟件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)庫系統(tǒng)，服務(wù)性系統(tǒng)

應(yīng)用軟件：解決某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序（app）

包括各種科學(xué)計(jì)算類程序，工程設(shè)計(jì)類程序，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理程序。

三個(gè)級(jí)別語言

1)機(jī)器語言。又稱二進(jìn)制代碼語言，需要編程人員記憶每條指令的二進(jìn)制編碼。

機(jī)器語言是計(jì)算機(jī)唯一可以直接識(shí)別和執(zhí)行的語言。

2)匯編語言。匯編語言用英文單詞或其縮寫代替二進(jìn)制的指令代碼，更容易為人們記憶和理解。使用匯編語言編輯的程序，必須經(jīng)過一個(gè)稱為匯編程序的系統(tǒng)軟件的翻譯，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言后，才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上執(zhí)行。

3)高級(jí)語言。高級(jí)語言(如C、C++、Java等)是為方便程序設(shè)計(jì)人員寫出解決問題的處理方案和解題過程的程序。通常高級(jí)語言需要經(jīng)過編譯程序編譯成匯編語言程序，然后經(jīng)過匯編操作得到機(jī)器語言程序，或直接由高級(jí)語言程序翻譯成機(jī)器語言程序。

高級(jí)語言——匯編語言的過程叫做編譯，匯編語言——機(jī)器語言的過程叫做匯編，

邊翻譯邊執(zhí)行的叫做解析。

計(jì)算機(jī)的工作過程

計(jì)算機(jī)的工作過程分為以下三個(gè)步驟:

1）把程序和數(shù)據(jù)裝入主存儲(chǔ)器。（loader干的）

2）將源程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行文件。（生成hex文件）

3）從可執(zhí)行文件的首地址開始逐條執(zhí)行指令。（上電cpu進(jìn)行尋指，依次執(zhí)行）

1.從源程序到可執(zhí)行文件

1）預(yù)處理階段:預(yù)處理器（cpp）對源程序中以字符#開頭的命令進(jìn)行處理，

例如將#include命令后面的.h文件內(nèi)容插入程序文件。輸出結(jié)果是一個(gè)以.i 為擴(kuò)展名的源文件 hello.i。（1.頭文件要展開 2.#define這種定義的字符串要替代下 等操作）

2. 編譯階段:編譯器 (ccl) 對預(yù)處理后的源程序進(jìn)行編譯，生成一個(gè)匯編語言源程序hello.s。

3）匯編階段:匯編器（as）將 hello.s 翻譯成機(jī)器語言指令，把這些指令打包成一個(gè)稱為可重定位目標(biāo)文件的hello.o，它是一種二進(jìn)制文件，因此在文本編輯器中打開它時(shí)會(huì)顯示亂碼。

4）鏈接階段:鏈接器（ld〉將多個(gè)可重定位目標(biāo)文件和標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)合并為一個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件，或簡稱可執(zhí)行文件。

本例中，鏈接器將hello.o和標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)prinft所在的可重定位目標(biāo)模塊prinft.o合并，生成可執(zhí)行文件 hello。最終生成的可執(zhí)行文件被保存在輔存上。

PS.link完成后生成hex文件，才是可執(zhí)行的文件

2.指令執(zhí)行過程的描述

指令和變量數(shù)據(jù)存在主存里面

通用過程

先PC將指令地址發(fā)送給MAR，MAR根據(jù)地址在存儲(chǔ)體中找到指令數(shù)據(jù)存放在MDR中，之后MDR將指令存放在IR中，取指令結(jié)束，之后指令中的操作碼進(jìn)入CU中，地址碼重復(fù)上述取指令步驟，將數(shù)據(jù)發(fā)送到ACC中，執(zhí)行指令結(jié)束。

注意：

1.執(zhí)行指令階段 CU會(huì)根據(jù)不同指令把MDR數(shù)放在ACC/MQ/X等中

2.區(qū)分指令和數(shù)據(jù)的依據(jù):指令周期的不同階段

1.3 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

1.機(jī)器字長

計(jì)算機(jī)的位數(shù)（機(jī)器字長），表示計(jì)算機(jī)進(jìn)行一次整數(shù)運(yùn)算(即定點(diǎn)整數(shù)運(yùn)算)所能處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。計(jì)算機(jī)字長通常選定為字節(jié)(8位)的整數(shù)倍，通常是2,4,8倍。不同的計(jì)算機(jī)，字節(jié)可能不同

2.數(shù)據(jù)通路帶寬

數(shù)據(jù)總線一次所能傳送信息的位數(shù)。

3.主存容量

MAR的位數(shù)反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)，如MAR為16位，表示存儲(chǔ)單元為2^16 = 64K;

存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)*位寬=容量（長×寬）

2^10=1k若MDR為32位，則存儲(chǔ)容量為2^16x32.

4.吞吐量，指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理請求的數(shù)量 ；從用戶觀點(diǎn)看，它是評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的綜合參數(shù)！

響應(yīng)時(shí)間，指從用戶向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)請求，到系統(tǒng)對該請求做出響應(yīng)并獲得所需結(jié)構(gòu)的等待時(shí)間。

CPU時(shí)鐘周期。通常為節(jié)拍脈沖或T周期，即主頻的倒數(shù)，它是CPU中最小的時(shí)間單位，每個(gè)動(dòng)作至少需要1個(gè)時(shí)鐘周期。

主頻(CPU時(shí)鐘頻率)。機(jī)器內(nèi)部主時(shí)鐘的頻率，是衡量機(jī)器速度的重要參數(shù)。

CPU周期又稱為機(jī)器周期，由多個(gè)時(shí)鐘周期組成！

指令周期>CPU周期>時(shí)鐘周期

CPI（Clock cycle Per Instruction），即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)。

CPU執(zhí)行時(shí)間，指運(yùn)行一個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間。

CPU執(zhí)行時(shí)間 = CPU時(shí)鐘周期數(shù)/主頻 = (指令條數(shù)xCPI)/主頻

CPU的性能取決于三個(gè)要素:主頻、CPI 、指令條數(shù)