计组-绪论

绪论

一、计算机的基本组成

（1）硬件系统

硬件系统是指计算机中那些看得见摸得着的物理实体。

冯·诺依曼计算机

早期的计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成。

特点-存储程序、程序控制

1. 执行指令会产生控制流，在控制流的驱动下完成指令的功能（数据被动调用）。
2. 进入计算机的指令、数据及其他信息均是二进制编码。

对于使用二进制的优点？

1. 电路简单
2. 使用方便
3. 抗干扰强

PC机-总线（不存在于冯·诺依曼机）

总线按功能和规范可分为三大类型:

(1) 片总线(Chip Bus, C-Bus) 三类总线在微机系统中的地位和关系，又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。

(2) 内总线(Internal Bus, I-Bus) 　又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。

(3) 外总线(External Bus, E-Bus) 又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIA RS-232C、IEEE-488等。

（2）软件系统

软件通常是指计算机所配置的各类程序和文件、并不能直接触摸而修改相对容易。

软件系统一般包括两大部分：系统软件、应用软件。

系统软件

功能：对系统的各种资源进行管理和调度。

1. 操作系统。处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理
2. 语言处理程序。
3. 通用程序。OS平台上提供给用户使用的一些应用程序。如windows下office
4. 各种服务支持软件。一些帮助用户使用和维护计算机的软件。调试程序、诊断程序等

应用软件

指用户在各自的应用中，为解决的自己的任务而编写的程序。是一类直接以用户的需求为目标的程序。

二、计算机层次概念

自上而下，计算机系统的层次结构分为

1. 高级语言机器 M4（软件）用编译程序翻译成汇编语言程序
2. 汇编语言机器 M3（软件）用汇编程序翻译成机器语言程序
3. 操作系统机器 M2（软件）向上提供“广义指令”（系统调用）
4. 用机器语言的机器 M1（硬件）执行二进制机器指令
5. 微程序机器 M0（硬件）由硬件直接执行微指令

计算机系统结构、组成略。

在以上计算机系统结构及计算机组成的基础上，利用具体的IC芯片、电子元器件、不见、插头、插座等，根据计算机组成的逻辑设计，实现物理计算机。

系统结构决定了计算机的总体属性，组成是体现这些属性的逻辑设计，实现是物理器件实现逻辑设计。

三、计算机分类

规模功能分类

微型机、小型机、中型机、大型机、巨型机。

按用途分类

通用计算机（PC、服务器…）和嵌入式计算机（专用计算机）。

Flynn分类法—使用广泛

按照计算机在执行程序过程中信息流的特征进行分类。

（1）IS 指令流 机器执行的指令序列

（2）DS 数据流 指令流所使用的数据

（3）CS 控制流 指令流进入CU

然后Flynn将计算机分为四类：

（1）SISD 单指令流单数据流计算机（主要学习、基础）

（2）SIMD 单指令流多数据流计算机

矩阵的运算：给出指令：相加；但是数据是有很多并行处理。

（3）MISD 多指令流单数据流计算机（不存在！！！）

（4）MIMD 多指令流多数据流计算机

四、计算机性能描述

对于MIPS：$MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\ast 10^6}$

指令速度↑、MIPS↑

基准测试程序（了解即可）：

TPC-H：对系统在线数据库的查询能力。

Linpack：在每秒钟，利用高斯消元法求解一元N此线性方程组。

HPCC：在Linpack之上，双精度矩阵乘法、傅里叶变换、并行矩阵转置等七个子项全面评价。

性能计算

CPU时钟周期 ：一个是时钟脉冲所需要的时间，也叫节拍脉冲或T周期，它是CPU中最小的时间单位。
主频(CPU时钟频率)：1秒中的时钟脉冲数，即时钟周期的倒数。
CPI：$执行一条指令所需要的时钟周期数=\frac{总时钟周期数}{IC}$ ( IC ：总指令数)

CPU执行时间：$运行一个程序所花费的时间=\frac{CPU时钟周期数}{主频}=\frac{(指令条数\ast CPI)}{主频}$
$MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\ast 10^6}=\frac{主频}{CPI}$

Amdahl定律

$加速比=\frac{改进后系统性能}{改进前系统性能}=\frac{改进前系统总执行时间}{改进后系统总执行时间}$

加速比：计算机比改进之前快乐多少倍。

加速比取决于：可改进比例以及部件加速比。

1. 可改进比例$f_e$：可改进部分在原系统总执行时间中所占的比。$f_e\le 1$
2. 部件加速比$r_e$：可改进部分改进后性能提高的速度。$r_e\ge 1$

假设改进前系统总执行时间为 $T_0$

得出改进后系统总执行时间为 $T_n=T_0(1-f_e+\frac{f_e}{r_e})$

故加速比为$S_p=\frac{1}{1-f_e+\frac{f_e}{r_e}}$

多个部件时也写作：$S_p=\frac{1}{1-\sum f_e+\sum \frac{f_e}{r_e}}$

① $ f_e$加大：选择主要的优化。

② $r_e$增加：一定程度后， $r_e$ 影响不大→没有必要加大 $r_e$ 。