計(jì)算機(jī)組成原理筆記（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概論

Chapter 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概論

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

• 一種可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，具有存儲(chǔ)記憶功能，并能夠按照程序自動(dòng)、高速處理信息的智能電子設(shè)備。
• 具有計(jì)算精確度高、存儲(chǔ)容量大、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。
• 由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成。

1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展

• 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)
• 計(jì)算機(jī)的五代變化
• 中國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展
• 計(jì)算機(jī)的分類(lèi)
• 計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)問(wèn)世之前

計(jì)算機(jī)的發(fā)展也經(jīng)歷了機(jī)械式計(jì)算機(jī)、機(jī)電式計(jì)算機(jī)和萌芽期的電子計(jì)算機(jī)3個(gè)階段。了解幾個(gè)階段的著名科學(xué)家的貢獻(xiàn)。

• 1642年，法國(guó)數(shù)學(xué)家帕斯卡采用與鐘表類(lèi)似的齒輪傳動(dòng)裝置，制造了最早的十進(jìn)制加法器。
• 1678年，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨制造的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行十進(jìn)制乘、除運(yùn)算。
• 英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇：
• 1822年制作差分機(jī)時(shí)提出一種設(shè)想，每次只完成一次算術(shù)運(yùn)算，將發(fā)展為自動(dòng)完成某個(gè)特定的完整運(yùn)算過(guò)程。
• 1834年設(shè)計(jì)了一種通用解析機(jī)，它可以進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，能解多元方程組。
• 巴貝奇的設(shè)想包含了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的一些主要思想，已經(jīng)有了程序控制方式的雛形，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件而未能實(shí)現(xiàn)。
• 1941年德國(guó)克蘭德·楚澤（Konrad Zuse，1910—1995年）制成了全自動(dòng)的繼電器計(jì)算機(jī)Z-3，它已經(jīng)具備了二進(jìn)制運(yùn)算、數(shù)字存儲(chǔ)地址的指令形式等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特征
• 1940—1947年，在美國(guó)也相繼推出了MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等繼電器計(jì)算機(jī)。
• 繼電器的開(kāi)關(guān)速度太慢，大約為百分之一秒，使當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)速度受到很大限制。

事物的發(fā)展是一個(gè)曲折的、復(fù)雜的漫長(zhǎng)過(guò)程。

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

1946年 美國(guó) ENIAC

• 采用十進(jìn)制，邏輯線路復(fù)雜。
• 無(wú)存儲(chǔ)器，只有20個(gè)10位的累加器，存儲(chǔ)20個(gè)十進(jìn)制數(shù)。
• 不完全具有“內(nèi)部存儲(chǔ)程序”功能，采用布線接板進(jìn)行控制，必須通過(guò)開(kāi)關(guān)和插線來(lái)安裝計(jì)算程序，甚至要搭接幾天，計(jì)算速度被這一工作抵消了。

馮?諾依曼思想

1945年數(shù)學(xué)家馮?諾依曼對(duì)計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)提出了重大的改進(jìn)理論：

• 計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，數(shù)據(jù)和指令均采用二進(jìn)制存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，二進(jìn)制的采用將大大簡(jiǎn)化機(jī)器的邏輯線路。
• 編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器，然后再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，從而大大加快運(yùn)算進(jìn)程。
• 進(jìn)一步明確指出整個(gè)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由5個(gè)部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入裝置和輸出裝置。

馮·諾依曼 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系

計(jì)算機(jī)的五代

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展大體分為五個(gè)年代，主要依據(jù)三個(gè)方面進(jìn)行劃分：

• 構(gòu)成CPU的主要器件
• 存儲(chǔ)器件的發(fā)展
• 軟件（操作系統(tǒng)）的發(fā)展及應(yīng)用

硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響

第一代（1946-1957年）電子管計(jì)算機(jī)

• 邏輯元件 —— 電子管
• 數(shù)據(jù)表示 —— 定點(diǎn)數(shù)
• 主 存 —— 磁鼓或磁芯
• 輔 存 —— 磁帶
• 軟 件 —— 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言
• 應(yīng) 用 —— 科學(xué)計(jì)算

IBM650 小型機(jī)于1954年12月推出，是第一代計(jì)算機(jī)中銷(xiāo)量最廣的計(jì)算機(jī)

第二代（1958-1964年）晶體管計(jì)算機(jī)

• 邏輯元件 —— 晶體管
• 輔 存 —— 磁盤(pán)、磁帶
• 主 存 —— 鐵淦氧磁芯
• 運(yùn)算方式 —— 浮點(diǎn)運(yùn)算
• 軟 件 —— 操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言（FORTRAN、ALGOL等）
• 應(yīng) 用 —— 科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制

CDC6600 大型機(jī)于1963年8月由控制數(shù)據(jù)公司(CDC)推出，當(dāng)時(shí)很受各原子能機(jī)構(gòu)、航空宇航、氣象研究等機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。安裝了35萬(wàn)個(gè)晶體管，運(yùn)算速度為1Mflops。至1969年，CDC6600以及改進(jìn)型CDC7600巨型機(jī)共售出150余臺(tái)。

第三代（1965-1971年）中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

• 中小規(guī)模集成電路成為主要部件，過(guò)渡到半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。
• 體積更小，功耗更低，速度更快，一般為幾十萬(wàn)次至幾百萬(wàn)次每秒。減少了焊點(diǎn)和接插件，可靠性更高。
• 出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)在中心程序的控制協(xié)調(diào)下可以同時(shí)運(yùn)行許多不同的程序。出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和人機(jī)會(huì)話式語(yǔ)言，如BASIC，采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。
• 應(yīng)用：科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制
• 出現(xiàn)了小型計(jì)算機(jī)。 1965年美國(guó)的DEC(數(shù)字設(shè)備公司)推出第一臺(tái)商業(yè)化集成電路為主的小型計(jì)算機(jī)PDP-8。

1964年由IBM推出的IBM 360 是最早采用集成電路的通用計(jì)算機(jī)，也是影響最大的第三代計(jì)算機(jī)。平均運(yùn)算速度從每秒幾千次到一百萬(wàn)次，它的主要特點(diǎn)是通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。

第四代（1972年至今） LSI和VLSI計(jì)算機(jī)

• 以Intel公司的第一代微處理器Intel 4004為標(biāo)志。
• 1972年，第一部真正的個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）誕生。隨著“半導(dǎo)體”及“晶體管”的發(fā)展，世界各國(guó)也不斷翻開(kāi)計(jì)算機(jī)史上新的一頁(yè)。
• 1981年，IBM推出個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC），主要用于家庭、辦公室和學(xué)校。
• 微電子技術(shù)的發(fā)展促使計(jì)算機(jī)的體積越來(lái)越小，從桌上到膝上,再到掌上；成本越來(lái)越低，性能和可靠性越來(lái)越高
• 操作系統(tǒng)也不斷完善，應(yīng)用軟件也變得豐富多彩，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用遍及社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，成為人們不可缺少的工具。

第五代計(jì)算機(jī)

• 20世紀(jì)80年代初，日本首先提出第五代計(jì)算機(jī)發(fā)展計(jì)劃，引起各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相開(kāi)始研究。
• 第五代計(jì)算機(jī)的主要思想：模擬人類(lèi)視神經(jīng)控制系統(tǒng)，本身具有學(xué)習(xí)機(jī)理，能模仿人的視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作。它不僅能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或處理一般的信息，主要能面向知識(shí)處理，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力，能夠幫助人們進(jìn)行判斷、決策、開(kāi)拓未知領(lǐng)域和獲得新的知識(shí)。需要人工智能的理論和技術(shù)，涉及通信技術(shù)、仿生學(xué)等多種科學(xué)技術(shù)。
• 目前人工智能技術(shù)在模式識(shí)別、知識(shí)處理方面已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用大量專(zhuān)家知識(shí)和推理方法解決復(fù)雜問(wèn)題的專(zhuān)家系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛用于管理調(diào)度、輔助決策、故障診斷、教育咨詢等各個(gè)方面。
• 計(jì)算機(jī)在文字、語(yǔ)音、圖形圖像的識(shí)別與理解，及機(jī)器翻譯等領(lǐng)域的應(yīng)用也取得重大進(jìn)展，相關(guān)產(chǎn)品也已經(jīng)問(wèn)世。

存儲(chǔ)器的發(fā)展

存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展是促進(jìn)計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要因素

• 20世紀(jì)50～60年代：磁芯存儲(chǔ)器——所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器都是由微小的鐵磁體環(huán)
• 1970年：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器——美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個(gè)較大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器
• 從1970年起，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：?jiǎn)蝹€(gè)芯片為1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB直至更高

摩爾定律

摩爾定律：“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番”。當(dāng)初預(yù)測(cè)這個(gè)假定只能維持10年左右，然而芯片制造技術(shù)的進(jìn)步讓摩爾定律保持了40年。

集成電路：依據(jù)一片集成電路芯片上包含的邏輯門(mén)個(gè)數(shù)或元件個(gè)數(shù)分小規(guī)模集成電路SSI（邏輯門(mén)數(shù)小于10門(mén)或含元件數(shù)小于100個(gè)）；中規(guī)模集成電路MSI（所含邏輯門(mén)數(shù)為10～99門(mén)或含元件數(shù)100～999個(gè)）；大規(guī)模集成電路LSI（邏輯門(mén)數(shù)為100～9999門(mén)或含元件數(shù)1000～99999個(gè)）；超大規(guī)模集成電路VLSI（106～107個(gè)元件或10000個(gè)以上邏輯門(mén)）；巨大規(guī)模集成電路ULSI（107～109個(gè)元件；GSI集成109以上個(gè)元件）。

中央處理器的發(fā)展

• 1971年，Intel 4004 CPU
• 1978年，Intel 8086 CPU

中國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展

• 1958年，中科院計(jì)算所研制成功的小型電子管通用計(jì)算機(jī)----103機(jī)，標(biāo)志著我國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生。
• 1965年，中科院計(jì)算所研制成功第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)109乙，之后推出109丙機(jī)，該機(jī)在兩彈試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。
• 1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒100萬(wàn)次。
• 1983年，國(guó)防科技大學(xué)研制成功運(yùn)算速度上億次每秒的銀河-Ⅰ巨型機(jī)，這是我國(guó)高速計(jì)算機(jī)研制的一個(gè)重要里程碑
• 1985年，電子工業(yè)部計(jì)算機(jī)管理局研制成功與IBM PC兼容的長(zhǎng)城0520 CH微型計(jì)算機(jī)。
• 1992年，國(guó)防科大研究出銀河-Ⅱ通用并行巨型機(jī)，浮點(diǎn)運(yùn)算峰值速度達(dá)4億次每秒，為共享主存儲(chǔ)器的四處理機(jī)向量機(jī)，其向量中央處理機(jī)的中小規(guī)模集成電路是我國(guó)自行設(shè)計(jì)的，總體上達(dá)到20世紀(jì)80年代中后期的國(guó)際先進(jìn)水平。
• 1993年，國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究開(kāi)發(fā)中心研制成功曙光一號(hào)，是國(guó)內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標(biāo)準(zhǔn)UNIX操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的并行計(jì)算機(jī)。
• 1995年，曙光推出曙光1000(含36個(gè)處理機(jī)),是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)結(jié)構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，浮點(diǎn)運(yùn)算的峰值速度為25億次每秒。曙光1000與美國(guó)Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機(jī)體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)相近，與國(guó)外的差距縮小到5年左右。
• 1997年，國(guó)防科大研制成功銀河-Ⅲ百億次并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用可擴(kuò)展分布共享存儲(chǔ)并行處理體系結(jié)構(gòu)，由130多個(gè)處理結(jié)點(diǎn)組成，浮點(diǎn)運(yùn)算峰值性能為130億次每秒，系統(tǒng)綜合技術(shù)達(dá)到20世紀(jì)90年代中期國(guó)際先進(jìn)水平。
• 2001年，中科院計(jì)算所研制出我國(guó)第一款通用CPU（龍芯）芯片。 2002年，在具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的龍騰服務(wù)器上采用了“龍芯-1”CPU。該服務(wù)器是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)完全實(shí)現(xiàn)自有產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，在國(guó)防、安全等部門(mén)發(fā)揮了重大作用。
• 我國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)的技術(shù)上發(fā)展迅猛，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所研制的“銀河”系列機(jī)，中科院計(jì)算技術(shù)研究所研制的“曙光”系列機(jī)，以及國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)中心研制的“神威”系列機(jī)，都先后登上全球超級(jí)計(jì)算排行榜的前列。2016年6月20日，“神威·太湖之光” 超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在法蘭克福世界超算大會(huì)上，登頂國(guó)際TOP500榜首，至2017年11月13日仍據(jù)榜首。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展 —趨勢(shì)

• 未來(lái)計(jì)算機(jī)性能向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和巨型化的方向發(fā)展。
• 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和元件：電子電路的局限性將會(huì)使電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展受到限制，人們已經(jīng)開(kāi)始研制不使用集成電路的計(jì)算機(jī)，例如生物計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)等，并取得了一定的進(jìn)展。

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)方法較多，根據(jù)處理的對(duì)象、用途和規(guī)模不同可有不同的分類(lèi)方法。

1.按處理的對(duì)象劃分

（1）模擬計(jì)算機(jī)

用一種連續(xù)變化的模擬量作為運(yùn)算對(duì)象的計(jì)算機(jī)。

特點(diǎn)：運(yùn)算過(guò)程是連續(xù)的，計(jì)算精度較低，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力極差，應(yīng)用范圍較窄。

（2）數(shù)字計(jì)算機(jī)

參與運(yùn)算的數(shù)值用非連續(xù)的數(shù)字量表示，運(yùn)算過(guò)程按數(shù)字位進(jìn)行，具有邏輯判斷等功能。相比模擬計(jì)算機(jī)，計(jì)算精度高，運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

2.根據(jù)計(jì)算機(jī)的用途劃分

（1）通用計(jì)算機(jī)

用于解決一般問(wèn)題，其適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，可用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制等領(lǐng)域，但其運(yùn)行效率、速度和經(jīng)濟(jì)性依據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象會(huì)受到不同程度的影響。

（2）專(zhuān)用計(jì)算機(jī)

用于解決某一特定方面的問(wèn)題，配有專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的軟件和硬件，應(yīng)用于軍事、自動(dòng)化控制或儀器儀表等領(lǐng)域。專(zhuān)用計(jì)算機(jī)針對(duì)某類(lèi)問(wèn)題能顯示出最有效、最快速和最經(jīng)濟(jì)的特性，但它的適應(yīng)性較差。

3.根據(jù)計(jì)算機(jī)的規(guī)模劃分

衡量計(jì)算機(jī)的規(guī)模的主要技術(shù)指標(biāo)：字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、外部設(shè)備、輸入和輸出能力、配置軟件豐富與否、價(jià)格高低等。

根據(jù)計(jì)算機(jī)的規(guī)?？煞譃榫扌陀?jì)算機(jī)、小巨型計(jì)算機(jī)、大型主機(jī)、小型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)、圖形工作站等。

（1）巨型計(jì)算機(jī)：又稱(chēng)超級(jí)計(jì)算機(jī)，一般用于國(guó)防尖端技術(shù)和科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域。速度最快，容量最大，體積最大，造價(jià)也最高。

（2）大型主機(jī)：包括通常所說(shuō)的大、中型計(jì)算機(jī)。具有較高的運(yùn)算速度和較大的存儲(chǔ)容量，一般用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理或用作網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。隨著微機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，很多應(yīng)用中正在被高檔微型計(jì)算機(jī)所取代。

（3）小型計(jì)算機(jī)：指采用8-32顆處理器，性能和價(jià)格介于PC服務(wù)器和大型主機(jī)之間的一種高性能 64 位計(jì)算機(jī)。例如DEC公司的PDP-11系列、VAX-11系列等。一般用于工業(yè)自動(dòng)控制、醫(yī)療設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集等方面。

（4）微型計(jì)算機(jī)：是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種計(jì)算機(jī)。PC（Personal Computer個(gè)人計(jì)算機(jī)）是現(xiàn)在比較流行的微型計(jì)算機(jī)。其中央處理器采用微處理芯片，體積小輕便。

（5）圖形工作站：是以個(gè)人計(jì)算環(huán)境和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為前提的高性能計(jì)算機(jī)，其規(guī)模介于微型機(jī)和小型機(jī)之間。通常配有高分辨率的大屏幕顯示器及容量很大的內(nèi)存和外部存儲(chǔ)器，具有較強(qiáng)的信息處理功能和高性能的圖形、圖像處理功能以及聯(lián)網(wǎng)功能。主要應(yīng)用在專(zhuān)業(yè)的圖形處理和影視創(chuàng)作等領(lǐng)域，

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件

概述

• 計(jì)算機(jī)的硬件是指組成計(jì)算機(jī)的所有電子器件和機(jī)電裝置的總稱(chēng)，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)。
• 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的硬件：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大功能部件組成。
• 本節(jié)主要介紹計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)，及其各功能部件協(xié)調(diào)工作的簡(jiǎn)單工作原理。

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)

馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)

（1）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由5個(gè)基本部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)和指令都采用0或1組成的二進(jìn)制編碼。

（3）采用存儲(chǔ)程序的方式，事先將程序（包括指令和數(shù)據(jù)）存入存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令并加以執(zhí)行，直到程序執(zhí)行完畢，不需要人工干預(yù)。

其核心思想：程序存儲(chǔ)并按地址順序執(zhí)行。

早期的馮?諾依曼計(jì)算機(jī)---- 以運(yùn)算器為中心

輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸都需通過(guò)運(yùn)算器。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制復(fù)雜。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)---- 以存儲(chǔ)器為核心，總線結(jié)構(gòu)

典型的單CPU、單總線結(jié)構(gòu)圖：

運(yùn)算器和控制器合稱(chēng)為中央處理單元（CPU，Central Processing Unit)。

系統(tǒng)連線減少，結(jié)構(gòu)變得清晰，大大簡(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)。

知識(shí)拓展

• 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置，取數(shù)據(jù)和取指令通過(guò)同一套數(shù)據(jù)總線。信息流的傳輸成為限制計(jì)算機(jī)性能的瓶頸，影響了數(shù)據(jù)處理速度的提高。
• 哈弗結(jié)構(gòu)：程序指令和數(shù)據(jù)分別放在不同的存儲(chǔ)器中，通過(guò)不同的總線取指令和存取數(shù)據(jù)，這就允許取指令和取操作數(shù)同時(shí)進(jìn)行，大大地提高了系統(tǒng)的工作速度。如DSP和ARM等微處理器，采用了哈佛結(jié)構(gòu)，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制。

組成部件

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由5個(gè)基本部件組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。構(gòu)成計(jì)算機(jī)的五大部件有相對(duì)獨(dú)立的功能，在控制器的控制下協(xié)調(diào)統(tǒng)一地完成各自不同的工作。

存儲(chǔ)器----組成結(jié)構(gòu)

• 功能：用來(lái)存放計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的程序或者程序所處理的數(shù)據(jù)。
• 組成結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)體

地址譯碼電路

讀寫(xiě)控制電路

輸入輸出線路

存儲(chǔ)器----幾個(gè)基本概念

• 存儲(chǔ)單元：對(duì)應(yīng)一個(gè)地址編號(hào)、存放一定位數(shù)二進(jìn)制代碼的電路集合。

• 存儲(chǔ)字長(zhǎng)：一個(gè)存儲(chǔ)單元存放的二進(jìn)制信息也稱(chēng)為一個(gè)存儲(chǔ)字，其位數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)字長(zhǎng)。

• 單元地址：存儲(chǔ)單元的地址編號(hào)。

• 單元內(nèi)容：存儲(chǔ)單元中存放的二進(jìn)制信息。

• 存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器能夠存放的二進(jìn)制信息的總量稱(chēng)為其存儲(chǔ)容量。

  兩種表示形式：

• 存儲(chǔ)器芯片：用字?jǐn)?shù)×字長(zhǎng)表示，如1K×4位，它表示一個(gè)芯片有1K個(gè)單元，每個(gè)單元可以存放4位二進(jìn)制代碼；

• 系統(tǒng)的存儲(chǔ)器：通常用字節(jié)數(shù)表示，如4GB、1TB。

存儲(chǔ)容量的數(shù)量單位

• 位/比特（bit）：存儲(chǔ)器容量的最小表示單位，二進(jìn)制編碼序列中的一個(gè)0或1就是一個(gè)比特位。
• 字節(jié)（B、Byte）：也是計(jì)算機(jī)中最常用、最基本單位。一個(gè)字節(jié)等于8個(gè)比特，即1 Byte=8bit。
• 其他數(shù)量單位

KB（Kilo Byte）、MB（Mega Byte）、GB（Giga Byte）、TB（Tera Byte）、PB(Peta Byte)、EB(Exa Byte)、ZB(Zetta Byte)和YB(Yatta Byte)等。

數(shù)量關(guān)系：1KB= 1024B，1 MB=1024KB，1GB= 1024MB，…，它們之間存在1024倍的數(shù)量級(jí)關(guān)系。

事實(shí)上，1K=2(10)? 10(3)，1M=2(20)? 10(6)，1G=2(30)? 10(9)等等 。

存儲(chǔ)器----內(nèi)存與外存

• 內(nèi)存：CPU能夠直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器。內(nèi)存的存取速度較高，一般由半導(dǎo)體器件構(gòu)成。其位成本較高，容量有限。
• 外存：屬于外部設(shè)備，它不能被CPU直接訪問(wèn)，其內(nèi)容需要導(dǎo)入到內(nèi)存才能被CPU訪問(wèn)。
• 通常外存用來(lái)存放永久保存的、大量的程序或數(shù)據(jù)；內(nèi)存存放一些臨時(shí)的或少量的數(shù)據(jù)和程序。

注意：

目前內(nèi)存是由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成，但不能說(shuō)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器就是內(nèi)存。

• 為了解決速度、容量、成本之間的矛盾，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常采用主存、輔存和高速緩存的三級(jí)結(jié)構(gòu)。三者之間協(xié)調(diào)工作的原理，詳見(jiàn)第4章介紹。

運(yùn)算器

• 基本功能：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和處理的部件，完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。
• 基本組成：核心部件是算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（Arithmetic Logic Unit），另外還包含累加器和若干個(gè)寄存器?；窘M成結(jié)構(gòu)如下圖所示。

控制器

控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心，它發(fā)布各種操作命令控制計(jì)算機(jī)的各功能部件有條不紊地進(jìn)行工作。

（1）控制器的功能

（2）程序和指令

程序是為計(jì)算機(jī)解決某一問(wèn)題或完成某一任務(wù)，由一組特定編程語(yǔ)句構(gòu)成的有序集合。

編程語(yǔ)言分高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言三種。

指令是計(jì)算機(jī)硬件能夠直接執(zhí)行，完成一些基本操作的編程語(yǔ)句，它屬于機(jī)器語(yǔ)言。

指令編碼中包含兩部分信息：操作碼表明指令進(jìn)行何種操作，地址碼部分表明指令操作的數(shù)據(jù)位置。指令的一般格式如下：

例如：假設(shè)某計(jì)算機(jī)只有8條指令，其操作碼可用3位二進(jìn)制編碼來(lái)定義，如表1-1所示。

101 1000表示從1000單元取數(shù)送入累加器；

001 1000表示從1000單元取數(shù)和累加器相加，結(jié)果存入累加器。

不同的計(jì)算機(jī)的指令的格式及編碼規(guī)則會(huì)有區(qū)別，詳細(xì)內(nèi)容參考第5章指令系統(tǒng)。

各部件協(xié)調(diào)工作過(guò)程

輸入輸出設(shè)備及適配器

• 輸入設(shè)備：把人們熟悉的某種形式的信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)內(nèi)部能夠識(shí)別的二進(jìn)制信息形式。理想的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備應(yīng)該“會(huì)看”、“會(huì)聽(tīng)”，即能夠把人們用文字或語(yǔ)言所表達(dá)的問(wèn)題，直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理。目前常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、攝像頭、語(yǔ)音輸入裝置等。
• 輸出設(shè)備：將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘶蚱渌O(shè)備能接收或識(shí)別的信息形式。理想的輸出設(shè)備應(yīng)該“會(huì)寫(xiě)”、“能講”。目前常用的顯示器、打印機(jī)、繪圖儀。 輸入輸出設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)外圍設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)外設(shè)。
• 適配器：保證外圍設(shè)備與主機(jī)之間可靠地進(jìn)行信息的交流。不同類(lèi)型的外設(shè)有不同的適配器，如顯卡是顯示器的適配器。

總線

• 總線是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通道，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架。
• 傳統(tǒng)總線，按其傳送的信號(hào)的作用不同分為地址總線 (AB，Address Bus)、數(shù)據(jù)總線 (DB，Data Bus)、控制總線 (CB，Control Bus) 三種。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有多種總線，關(guān)于總線相關(guān)概念和技術(shù)的內(nèi)容在第8章詳細(xì)介紹。

幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)

• 主機(jī)：計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)中，CPU和內(nèi)存合稱(chēng)為主機(jī)。
• 微處理器：運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上，即人們?nèi)粘？吹降腃PU芯片，也稱(chēng)為微處理器。
• 單片機(jī)：CPU芯片中包含一定量的內(nèi)存，還有大量的接口電路。

數(shù)據(jù)流和指令流

• 計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或流動(dòng)的信息既有指令又有數(shù)據(jù)，從形式上看，它們都是二進(jìn)制數(shù)碼，控制器是如何區(qū)分哪些表示的是指令哪些是數(shù)據(jù)呢？
• 在取指令階段，從內(nèi)存中讀出的信息流是指令流，它流向控制器；
• 在執(zhí)行指令階段，從內(nèi)存中讀出或?qū)懭雰?nèi)存的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器，或者由運(yùn)算器流向內(nèi)存。

1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件

概述

軟件泛指在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的各類(lèi)程序、數(shù)據(jù)文件及相關(guān)的文檔資料。

程序是計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的，而文檔不能執(zhí)行。程序是計(jì)算機(jī)軟件的主體，所以一般說(shuō)到軟件主要是指程序。

軟件系統(tǒng)指一臺(tái)計(jì)算機(jī)中全部程序的統(tǒng)稱(chēng)。

軟件的作用是擴(kuò)大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，為計(jì)算機(jī)運(yùn)行服務(wù)提供技術(shù)支持。

按照軟件的功能不同，人們把計(jì)算機(jī)的軟件劃分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。

系統(tǒng)軟件是為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置的、不依賴于特定應(yīng)用領(lǐng)域的一些通用軟件，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)或軟件資源。只有在系統(tǒng)軟件的管理下，計(jì)算機(jī)的各硬件部分才能協(xié)調(diào)一致地工作。系統(tǒng)軟件還為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行環(huán)境，離開(kāi)系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件同樣也不能運(yùn)行。

系統(tǒng)軟件也有很多種，主要包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)三大類(lèi)。

應(yīng)用軟件是為解決某個(gè)特定應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題而編制的程序。

應(yīng)用軟件從其服務(wù)對(duì)象的角度，又可分為專(zhuān)用應(yīng)用軟件和通用應(yīng)用軟件兩類(lèi)。

系統(tǒng)軟件

1.操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的必備的系統(tǒng)軟件。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各種資源（包括硬件資源和軟件資源）的管理者、控制者、調(diào)度者和監(jiān)督者，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件之間、系統(tǒng)和用戶之間的關(guān)系。其目標(biāo)是提高各類(lèi)資源的利用率，方便用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為其他軟件的開(kāi)發(fā)提供必要的基礎(chǔ)和軟件接口。

2.語(yǔ)言處理程序

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)言可分為三大類(lèi)：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。

機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)的硬件可以直接識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)制編碼語(yǔ)言，但難以記憶和使用。

將匯編語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序的稱(chēng)作匯編程序。

編譯程序則是將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序的軟件。

無(wú)論是匯編程序還是編譯程序，它們都是用于處理軟件語(yǔ)言的程序，統(tǒng)稱(chēng)為語(yǔ)言處理程序。

3.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)以及相應(yīng)的應(yīng)用程序組成。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)DBMS（Database Managment System）,是為數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、使用和維護(hù)而配置的軟件。它建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制。利用它可以方便地建立、刪除、維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作。它是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員與數(shù)據(jù)庫(kù)之間聯(lián)系的橋梁。它是一個(gè)平臺(tái)，是一種系統(tǒng)軟件。

常用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件有Oracle、Sybase、MySQL、Informix

應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是為解決某個(gè)特定應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題而編制的程序。

如：解決科學(xué)與工程計(jì)算問(wèn)題的科學(xué)計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的控制軟件，用于企業(yè)財(cái)務(wù)、人事管理的管理軟件，具有人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)等等。

應(yīng)用軟件從其服務(wù)對(duì)象的角度，又可分為專(zhuān)用應(yīng)用軟件和通用應(yīng)用軟件兩類(lèi)。

1.專(zhuān)用的應(yīng)用軟件

專(zhuān)用的應(yīng)用軟件是按照用戶的特定需求，用于解決特定問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的軟件。其應(yīng)用面較窄，往往只限于特定的部門(mén)及其下屬單位使用。這種軟件的運(yùn)行效率較高，開(kāi)發(fā)成本較高。如前面提到的某企業(yè)的人事管理軟件，或某特定的生產(chǎn)過(guò)程的控制軟件等。

2.通用的應(yīng)用軟件

通用的應(yīng)用軟件是指計(jì)算機(jī)的應(yīng)用過(guò)程中，迅速推廣使用并不斷更新的一些通用工具軟件。如現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中普遍都安裝的文字處理軟件Word、電子表格處理軟件Excel等許多辦公工具軟件。

1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)配置軟件擴(kuò)充功能，形成了一個(gè)十分復(fù)雜的有機(jī)系統(tǒng)。

采用層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)和方法去描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與功能，有利于正確理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程，明確軟件、硬件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用，控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分層的方法有很多種，常用的層次結(jié)構(gòu)模型：從系統(tǒng)內(nèi)部的有機(jī)組成和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言功能的角度劃分的。

從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分層次結(jié)構(gòu)

自上而下看反映了應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的過(guò)程

從下向上看，直觀展示了構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)的的逐級(jí)生成過(guò)程。

從語(yǔ)言功能角度劃分層次結(jié)構(gòu)

如果將計(jì)算機(jī)功能抽象為“能執(zhí)行某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序”的機(jī)器，可以按語(yǔ)言功能劃分計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)。

實(shí)際機(jī)器：只能執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言的物理實(shí)體，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件。

虛擬機(jī)（Virtual Machine）：一種特殊的軟件，它在計(jì)算機(jī)平臺(tái)和終端用戶之間創(chuàng)建一種環(huán)境，終端用戶可以基于這個(gè)軟件所創(chuàng)建的環(huán)境來(lái)操作自己的軟件。使用某種語(yǔ)言編程的程序員，看到的就是可以執(zhí)行這種語(yǔ)言的機(jī)器，即具有這種語(yǔ)言功能的虛擬機(jī)。

多層次結(jié)構(gòu)小結(jié)：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雖然復(fù)雜，但具有明顯的層次性。

采用分層的觀點(diǎn)來(lái)分析或設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)，可以根據(jù)需要，忽略一些無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)，針對(duì)相應(yīng)層次去觀察、分析計(jì)算機(jī)的組成、性能和工作機(jī)理，或進(jìn)行系統(tǒng)各層面的設(shè)計(jì)，使得復(fù)雜的問(wèn)題變得更容易解決。

比如，有人專(zhuān)門(mén)致力于微處理器的研制工作，有人致力于操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，也有人專(zhuān)門(mén)進(jìn)行編譯程序的開(kāi)發(fā)等等。

本書(shū)重點(diǎn)討論的是第1、第2層中計(jì)算機(jī)硬件組成的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。

硬件和軟件的邏輯等價(jià)性：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)配置軟件擴(kuò)充其功能。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，硬件只完成最基本的功能，復(fù)雜的功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。

早期的計(jì)算機(jī)，硬件和軟件之間的界限十分清楚。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件、硬件之間的界限變得越來(lái)越模糊。許多功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以在硬件支持下靠軟件實(shí)現(xiàn)。例如，乘法運(yùn)算，可由硬件乘法器實(shí)現(xiàn)，也可以由乘法子程序?qū)崿F(xiàn)。

• 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成芯片上制作復(fù)雜邏輯電路的成本越來(lái)越低，原來(lái)依靠軟件實(shí)現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)化為大規(guī)模、超大規(guī)模的集成電路直接實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了軟件硬化，這樣系統(tǒng)將具有更高的處理速度和更強(qiáng)的功能。軟件硬化成為一種趨勢(shì)。
• 從系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的角度來(lái)說(shuō)，需要確定哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，更關(guān)心的是系統(tǒng)具有哪些功能。這些功能是硬件還是軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，在邏輯上是等價(jià)的。
• 存儲(chǔ)程序工作方式
• 程序執(zhí)行過(guò)程
• 高級(jí)語(yǔ)言程序與機(jī)器語(yǔ)言程序的轉(zhuǎn)換
• 預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接
• 程序和指令的執(zhí)行過(guò)程
• 取指令、分析指令、執(zhí)行指令

1.5 計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)

人們?cè)谶x擇或設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，要知道從哪些方面衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能。衡量計(jì)算機(jī)性能的指標(biāo)有很多種，而且不同用途的計(jì)算機(jī)其側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

這里主要從速度、容量?jī)煞矫婧?jiǎn)單介紹幾種常用的性能指標(biāo)，包括主頻、機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)器帶寬、運(yùn)算速度等。

1.主頻

• CPU的工作節(jié)拍是由主時(shí)鐘信號(hào)控制的，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率就是CPU的主頻。
• 主頻或時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）在很大程度上影響著計(jì)算機(jī)的工作速度。在一定程度上，主頻越高，CPU的工作速度越高。

2.機(jī)器字長(zhǎng)

• 指CPU的運(yùn)算器一次最多能直接處理的二進(jìn)制信息的位數(shù)
• 位數(shù)越多，運(yùn)算精度越高。它由CPU內(nèi)部的寄存器、加法器以及總線的位數(shù)決定，因此也直接影響著硬件的代價(jià)。

3.存儲(chǔ)器帶寬

單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制位數(shù)的多少，稱(chēng)為存儲(chǔ)器帶寬。它也是影響計(jì)算機(jī)工作速度的一個(gè)重要指標(biāo)。

4.運(yùn)算速度

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與很多因素有關(guān)，如機(jī)器的主頻、執(zhí)行何種操作、主存的存取速度等都有關(guān)系。衡量計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不能單從某一方面來(lái)定，必須綜合考慮每條指令的執(zhí)行時(shí)間以及它們?cè)谌坎僮髦兴嫉谋壤?。目前，一般用以下三個(gè)參數(shù)描述：CPI、MIPS、FLOPS

4.運(yùn)算速度

（1）CPI（Cycle Per Instruction）指的是執(zhí)行一條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)。計(jì)算公式為：

（2）MIPS（Million Instruction Per Second） 指平均每秒執(zhí)行定點(diǎn)指令的百萬(wàn)條數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的程序，算式為：

（3）FLOPS（Floating-point Operation Per Second）：表示每秒執(zhí)行浮點(diǎn)操作的次數(shù)，算式為：

4.運(yùn)算速度

MPIS在一定程度上可以反應(yīng)機(jī)器的運(yùn)算速度。但它過(guò)于依賴指令集，用來(lái)比較指令集不同的機(jī)器性能不準(zhǔn)確。

FLOPS取決于機(jī)器和程序兩方面，只能用來(lái)衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能。不過(guò)，F(xiàn)LOPS是基于操作而不是基于指令，用來(lái)比較兩種不同的機(jī)器相對(duì)來(lái)說(shuō)好些。當(dāng)然，浮點(diǎn)操作的類(lèi)型不同，運(yùn)算時(shí)間相差會(huì)很大，如浮點(diǎn)加遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于浮點(diǎn)除

與計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度相關(guān)的參數(shù)還有3個(gè)：

• 吞吐量：一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。
• 響應(yīng)時(shí)間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間間隔的時(shí)間。
• CPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一段程序所占用的時(shí)間。 CPU執(zhí)行時(shí)間=程序時(shí)鐘周期數(shù)*時(shí)鐘周期

5.存儲(chǔ)容量

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)包含主存和外存以及高速緩存。相對(duì)于主存，高速緩存的容量很小。外存不能被CPU直接訪問(wèn)，需要執(zhí)行的程序與處理的數(shù)據(jù)要調(diào)入主存才能被CPU訪問(wèn)。計(jì)算機(jī)處理能力的大小在很大程度上與主存有關(guān)。因此一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量指的是主存容量的大小。

存儲(chǔ)容量：表示存儲(chǔ)器中可以存放的所有二進(jìn)制位的總數(shù)

關(guān)于存儲(chǔ)器的容量前面已經(jīng)介紹，這里不再贅述。

計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn) 【知識(shí)拓展】

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）

• 主要研究硬件和軟件功能的劃分，確定硬件和軟件的界面，即哪些功能應(yīng)劃分給硬件子系統(tǒng)完成，哪些功能應(yīng)劃分到軟件子系統(tǒng)中完成。更多說(shuō)的是計(jì)算機(jī)的外特性，是硬件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。
• 對(duì)于不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言程序員的角度看，具有不同的屬性。但高級(jí)語(yǔ)言程序員看，它們幾乎沒(méi)什么區(qū)別，具有相同的屬性。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是機(jī)器語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)人員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性。

計(jì)算機(jī)組成（Computer Organization）

• 計(jì)算機(jī)組成是依據(jù)體系結(jié)構(gòu)所確定的硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性，研究硬件子系統(tǒng)各組成部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。
• 例如：AMD Opteron 64與Intel Pentium 4的指令系統(tǒng)相同，即兩者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但內(nèi)部組成不同，流水線和Cache結(jié)構(gòu)完全不同。

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（Computer Implementation）

• 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。它包括處理器、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專(zhuān)用器件的設(shè)計(jì)，電源、冷卻、裝配等技術(shù)及有關(guān)的制造技術(shù)和工藝等。

三者之間的關(guān)系

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同使得采用的組成技術(shù)產(chǎn)生差異，計(jì)算機(jī)組成也會(huì)影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的基礎(chǔ)，其技術(shù)的發(fā)展，特別是器件技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了組成和結(jié)構(gòu)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系如圖1-10所示。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，三者之間的關(guān)系將變得越來(lái)越模糊。

本章小結(jié)

• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)配置軟件擴(kuò)充其功能。軟硬件在邏輯上是等價(jià)的。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，軟件和硬件功能的分配要綜合考慮成本、速度、可靠性等多種因素。
• 采用分層的觀點(diǎn)來(lái)分析或設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)，可以根據(jù)需要，忽略一些無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)，針對(duì)相應(yīng)層次去觀察、分析計(jì)算機(jī)的組成、性能和工作機(jī)理，或進(jìn)行系統(tǒng)各層面的設(shè)計(jì)，使得復(fù)雜的問(wèn)題變得更容易解決。
• 以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的角度劃分層次，有利于認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成過(guò)程；以語(yǔ)言的角度劃分層次，有助于理解各種語(yǔ)言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑。