计算机的工作过程及性能指标介绍

1.1 计算机发展历程

计算机硬件的发展：

第一代计算机（1946-1957）：逻辑元件：电子管、机器语言编程

第二代计算机（1958-1964）：逻辑元件：晶体管、开始使用高级语言：

fortran

第三代计算机（1965-1971）：逻辑元件：较小规模的集成电路、高级语言迅速发展

第四代计算机（1972至今）：逻辑元件：较大规模的集成电路、现代计算机（微处理器、流水线、高速缓存等）

1.2 计算机系统结构层次

计算机系统组成

计算机系统由硬件系统和软件系统共同构建起来

硬件：有形的物理设备，是计算机系统中实际装置的总称

软件：在硬件上运行的程序和相关的数据及文档

计算机功能部件

1.输入设备 ：

是指将程序和数据（外部信息）以计算机能识别和接受（读懂）的方式输入进来，如键盘，鼠标等。

2.输出设备 ：

就是将计算机处理的信息以人所能接受的方式输出出来，比如显示屏，打印机。

3.存储器 ：是计算机的存储部件，用来存放程序和数据

主存储器的组成:

注：现代计算机常把地址寄存器（MAR) 和数据寄存器(MDR)存在于CPU中

（后续第三章介绍）

地址寄存器(MAR)：存放地址，经过地址译码后找到所选的存储单元；

数据寄存器(MDR)：用于暂存从存储器中读或写的信息

存储体：存放二进制信息

时序控制逻辑：产生存储器操作所需的各种时序信号(读、写操作等)

存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合(可以为n*8bit即 8 16 32 64等)

存储字长：存储单元中二进制代码的位数（长度）

存储元件：1bit（以dram为例 即为一个栅级电容 只能存储一为信息）

即：存储体由多个存储单元组成，存储单元由多个存储元件组成

4.运算器 :是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算

运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)

5.控制器

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)

计算机软件分类

系统软件：保证计算机系统高效运行的基础软件

包括操作系统，数据库管理系统，语言处理系统(比如编译器)，分布式软件系统，网络软件系统，标准库系统，服务性系统

应用软件：解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序（app）

包括各种科学计算类程序，工程设计类程序，数据统计与处理程序。

三个级别语言

1)机器语言。又称二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的二进制编码。

机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。

2)汇编语言。汇编语言用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。使用汇编语言编辑的程序，必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。

3)高级语言。高级语言(如C、C++、Java等)是为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。通常高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

高级语言——汇编语言的过程叫做编译，汇编语言——机器语言的过程叫做汇编，

边翻译边执行的叫做解析。

计算机的工作过程

计算机的工作过程分为以下三个步骤:

1）把程序和数据装入主存储器。（loader干的）

2）将源程序转换成可执行文件。（生成hex文件）

3）从可执行文件的首地址开始逐条执行指令。（上电cpu进行寻指，依次执行）

1.从源程序到可执行文件

1）预处理阶段:预处理器（cpp）对源程序中以字符#开头的命令进行处理，

例如将#include命令后面的.h文件内容插入程序文件。输出结果是一个以.i 为扩展名的源文件 hello.i。（1.头文件要展开 2.#define这种定义的字符串要替代下 等操作）

2. 编译阶段:编译器 (ccl) 对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序hello.s。

3）汇编阶段:汇编器（as）将 hello.s 翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个称为可重定位目标文件的hello.o，它是一种二进制文件，因此在文本编辑器中打开它时会显示乱码。

4）链接阶段:链接器（ld〉将多个可重定位目标文件和标准库函数合并为一个可执行目标文件，或简称可执行文件。

本例中，链接器将hello.o和标准库函数prinft所在的可重定位目标模块prinft.o合并，生成可执行文件 hello。最终生成的可执行文件被保存在辅存上。

PS.link完成后生成hex文件，才是可执行的文件

2.指令执行过程的描述

指令和变量数据存在主存里面

通用过程

先PC将指令地址发送给MAR，MAR根据地址在存储体中找到指令数据存放在MDR中，之后MDR将指令存放在IR中，取指令结束，之后指令中的操作码进入CU中，地址码重复上述取指令步骤，将数据发送到ACC中，执行指令结束。

注意：

1.执行指令阶段 CU会根据不同指令把MDR数放在ACC/MQ/X等中

2.区分指令和数据的依据:指令周期的不同阶段

1.3 计算机的性能指标

1.机器字长

计算机的位数（机器字长），表示计算机进行一次整数运算(即定点整数运算)所能处理的二进制数据的位数。计算机字长通常选定为字节(8位)的整数倍，通常是2,4,8倍。不同的计算机，字节可能不同

2.数据通路带宽

数据总线一次所能传送信息的位数。

3.主存容量

MAR的位数反映存储单元的个数，如MAR为16位，表示存储单元为2^16 = 64K;

存储单元个数*位宽=容量（长×宽）

2^10=1k若MDR为32位，则存储容量为2^16x32.

4.吞吐量，指系统在单位时间内处理请求的数量 ；从用户观点看，它是评价计算机系统性能的综合参数！

响应时间，指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结构的等待时间。

CPU时钟周期。通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期。

主频(CPU时钟频率)。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。

CPU周期又称为机器周期，由多个时钟周期组成！

指令周期>CPU周期>时钟周期

CPI（Clock cycle Per Instruction），即执行一条指令所需的时钟周期数。

CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间。

CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = (指令条数xCPI)/主频

CPU的性能取决于三个要素:主频、CPI 、指令条数