第1章复习要点
一、计算机发展历史
1. 从第一代到第四代计算机各自的主要特点
1) 第一代采用电子管元件
2) 第二代采用晶体管元件，磁芯作内存，磁鼓、磁带作外存等。
3) 第三代采用中小规模集成电路，半导体存储器作内存，出现了微程序控制，Cache，虚拟存储器，流水线等技术。举例：
● IBM公司提出了“兼容机”的概念
● (兼容机的好处：可以向后兼容；关键：相同或相似的指令集或操作系统)
● DEC公司提出了总线结构。
4) 第四代采用大规模/超大规模集成电路（LSI/VLSI/ULSI），出现了微处理器，出现了共享
存储器，分布式存储器及大规模并行处理系统等技术。
2. 冯诺依曼结构要点；存储程序思想
a) 存储程序思想：将事先编好的程序和原始数据送入主存中；启动执行后，在不需要操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令环保的口号的任务。
b) （指令和数据放在同一个存储空间中，统一编制，同一总线访问）（嵌入内容）
教师节国旗下演讲稿c) “存储程序”计算机，被称为IAS计算机（Institute for Advance Study）(普林斯顿高级研究院)
d) IAS计算机由运算器（ALU）、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部件组成
e) 西湖三十景各部件功能：
● 存储器：不仅能存放数据，而且也能存放指令
● 控制器：能自动执行指令，对指令译码生成控制信号
● 运算器（ALU）：能进行四种基本算术运算，逻辑运算和附加运算
● 输入设备和输出设备：操作人员可以通过此与主机进行通信
f) 内部以二进制表示指令和数据（每条指令由操作码和地址码组成）
g) 冯诺依曼结构最重要的思想：“存储程序”工作方式
3. 计算机发展过程中，非常重要的三个机器
● 通用计算机模型机：冯·诺依曼结构
● IBM360系列：引入兼容机（系列机）概念
● DEC PDP-8：引入总线结构
二、计算机系统的基本组成
1. 现代计算机的原型—IAS计算机
明月出天山下一句
● “存储程序”计算机，被称为IAS计算机（Institute for Advance Study）(普林斯顿高级研究院)
● 1951年IAS计算机才完成，它并不是第一台存储程序计算机，1949年由英国剑桥大学完成的EDSAC是第一台
淘宝链● 在EDVAC报告中提出的计算机结构被称为冯·诺依曼结构
● 冯·诺依曼结构最重要的思想是什么？“存储程序”工作方式
● 冯·诺依曼结构计算机也称为冯·诺依曼机器（Von Neumann Machine）
● 几乎现代所有的通用计算机都采用冯·诺依曼结构，因此，IAS计算机是现代计算机的原型机。
2. 指令与数据
1) 程序由指令组成
✓ 程序在执行前：数据和指令事先放在存储器中（都是0/1序列），每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段组成，程序起始地址送入PC
✓ 开始执行程序
1. 根据PC取指令
2. 指令译码
3. 取操作数：从GPRs或（主）存储器取【操作码是加减乘除等】
4. 执行指令指定的具体的操作
5. 回写结果到GPRs或存储器
6. 修改PC的值，使其指向下一条指令
重复上面的步骤直到程序结束
2) 采用“存储程序”工作方式
3) 指令执行过程中：指令和数据从存储器取到CPU，存放在CPU内的寄存器：指令在IR中，数据在GPR中
4) 指令需给出的信息
✓ 操作码：指示该指令要完成什么操作，如加法等
✓ 一个或多个源操作数（立即数、寄存器编号、存储地址）
✓ 目的操作数地址（寄存器编号、存储地址）
✓ 存储地址的描述与操作数的数据结构有关
3. 软件与硬件的接口界面---ISA指令集体系结构
1) ISA（Instruction Set Architecture）指令集体系结构
2) 只有符合ISA规范的机器语言指令代码才能被硬件直接执行
3)
软件 | ISA | 硬件 |
4. 系统软件与应用软件的概念
1) System software（系统软件）-----简化编程，并使硬件资源被有效利用
a) 操作系统（Operation System）：硬件资源管理，用户接口
b) 语言处理系统：翻译程序+ Linker, Debug, etc …
翻译程序(Translator)有三类：
● 汇编程序(Assembler)：汇编语言源程序→机器目标程序
● 编译程序(Complier)：高级语言源程序→汇编/机器目标程序
● 解释程序(Interpreter )：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不生成目标文件。
c) 其他实用程序: 如：磁盘碎片整理程序、备份程序等
2) Application software（应用软件）----解决具体应用问题/完成具体应用
a) 各类媒体处理程序：Word/ Image/ Graphics/…
b) 管理信息系统 (MIS)
c) Game, …
三、计算机系统的层次结构
1. 现代计算机系统中从硬件、ISA，到操作系统、语言处理系统和应用程序的层次结构关系。
1. 最终用户、应用程序员、系统管理员、系统程序员他们分别工作的层面。
2. ISA会涉及哪些内容？
ISA是一种规约（Specification），它规定了如何使用硬件
● 可执行的指令的集合，包括指令格式、操作种类以及每种操作对应的操作数相应的规定
● 指令可接受的操作数类型；
● 操作数所能存放的寄存器组的结构，包括每个寄存器的名称、编号、长度和用途
● 操作数所能存放的存储空间的大小和编址方式
● 操作数在存储空间存放按大端还是小端方式存放
● 指令获取操作数的方式，即寻址方式
● 棒棰岛号指令执行过程的控制方式，包括程序计数器、条件码定义等
四、计算机系统性能评价
1. 响应时间，吞吐率，CPU时间，MIPS，MFLOPS，基准程序（Benchmarks）
● 相应时间（response time）（执行时间或等待时间）：指从作业提交开始到作业完成
所用的时间
● 吞吐量（throughput）（带宽）：指单位时间内所完成的工作量
● CPU时间：指CPU真正花在执行该程序的时间
1. 用户CPU时间：用来运行用户代码的时间
2. 系统CPU时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间
● MIPS：指每秒执行多少百万条指令（定点数指令）
● MFLOPS：每秒执行的浮点运算有多少百万次，反映机器对浮点数处理的速度
● 基准程序：专门用来进行性能评价的一组程序
2. CPI的计算
⏹ CPI：Cycles Per Instruction,每条指令执行所花的时钟周期数
⏹ 对于某一条特定的指令，其CPI是一个确定的值。
⏹ 对于某一个程序或一台机器，其CPI是一个平均值，表示该程序或该机器指令集中一条指令执行时平均需要多少个时钟周期。
⏹ 所以 CPI = CPU时钟周期数 ÷指令条数
⏹ CPI 一般用来衡量指令集体系结构（ISA）及其ISA的具体实现（Organization & Technology）的综合性能
⏹ CPU 执行时间 = CPU时钟周期数 × 时钟周期
= CPU时钟周期数 ÷ 时钟频率
= CPI ×总指令条数 × 时钟周期
名词解释：
系列机（兼容机）：相同或相似的指令集，相同或相似的操作系统的计算机
中央处理器CPU：整个计算机的核心部件，主要用于指令的执行
数据通路：由操作元件和存储元件通过总线方式或分散方式连接而成的进行数据传送、处理和存储的路径。
3.性能评价程序—基准程序（Benchmarks）
⏹ 基准测试程序是专门用来进行性能评价的一组程序
⏹ 不同用户使用的计算机用不同的基准程序
⏹ 基准程序通过运行实际负载来反映计算机的性能 √
⏹ 最好的基准程序是用户实际使用的程序或典型的简单程序
⏹ 一个公用的基准程序：SPEC
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论