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计算机系统概述
1.1 计算机基本工作原理
1.1.1冯·诺伊曼结构基本思想
一.采用“存储程序”工作方式
二.计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部件组成
三.存储器不仅能存放数据，也能存发放指令，形式上数据，也能存放指令，形式上数据和指令没有区别，但计算机应能区分它们；控制器应能自动执行指令；运算器应能进行算术运算，也能进行逻辑运算；操作人员可以通过输入/输出设备使用计算机
四.计算机内部以二进制形式表示指令和数据；每条指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址；由遗传指令组成程序
1.1.2冯·诺伊曼基本结构
主存储器
主存地址寄存器MAR
地址线
主存数据寄存器MDR
算术逻辑单元ALU
控制单元CU #对 #指 #令 #译 #码
控制信号线
通用寄存器组GPRs
标志寄存器
指令寄存器IR
程序计数器PC
总线
中央处理器CPU
其实内部还有Cache（高速缓存）
1.1.3程序和指令的执行过程
指令
指令的组成
操作码字段
地址码字段
按照操作类型划分（功能）
取数指令load
存数指令store
加法指令load
传送指令mov
按照格式划分
R型
M型
指令的执行过程
1.从主存取指令
2.对指令进行译码
3.PC增量
4.取操作数并执行
5.结果送主存或寄存器保存
微操作
加add、减sub、与and、或or、传送mov
微操作相应控制信号
控制部件对op字段进行译码后送出的信号
时钟信号
宽度：时钟周期
1.2 程序的开发与运行
1.2.1程序设计语言和翻译程序
程序设计语言
机器语言
汇编语言 #助 #计 #符
高级程序设计语言
机器级语言
翻译程序
汇编器
解释器
编译器
1.2.2从源程序到可执行文件
1.通过编辑器得到hello.c文件
在计算机中以ASCII字符方式存放，为文本文件，源程序文件都是文本文件，是可现实和可读的
2.预处理阶段
3.编译阶段
4.汇编阶段
5.链接阶段
1.2.3可执行文件的启动和执行
shell程序
操作系统外壳程序
I/O设备
机械部分
电子部分， 即I/O适配器/设备控制器/I/O模块
数据缓冲寄存器
命令字寄存器
状态字寄存器
I/O空间（I/O端口地址组成的空间）的编址
I/O端口
1.3 计算机系统的层次结构
1.3.1计算机系统抽象层的转换
语言处理系统
编程语言和算法
操作系统
将计算机抽象为虚拟机
指令集体系结构ISA
软件和硬件之间接口的完整定义
微体系结构
软件不可感知，是通过逻辑电路对ISA的具体实现
逻辑电路
由门电路构成，实现各种逻辑输入输出
器件技术
根据物质的物理性质组成的基本电路器件
1.3.2计算机系统核心层之间的关联
应用程序二进制编口ABI描述了
应用程序和操作系统之间
应用程序和所调用的库之间
不同组成部分（如过程或函数）之间
在较低层次上的机器级代码接口
未定义行为和未确定行为
翻译过程的前端和后端
ISA层之上
操作系统向应用程序提供运行时环境需要符合ABI规范
同时，操作系统也需要根据ISA规范来使用硬件提供的接口
ISA层之下
处理器设计时需要根据ISA规范来设计相应的硬件接口
1.3.3计算机系统的不同用户
硬件和软件
硬件
系统软件
操作系统
语言处理系统
数据库管理系统等
应用软件
程序和数据
不同用户
最终用户
应用程序层
应用程序员
高级语言虚拟机
系统管理员
操作系统虚拟机
系统程序员
汇编语言虚拟机
1.4 计算机系统性能评价
1.4.1计算机性能的定义
吞吐量
响应时间
1.4.2计算机性能的测试
用户感觉执行时间
CPU时间
用户CPU时间
- =程序总时钟周期数*时钟周期
- 程序总时钟周期数=程序总指令条数*平均CPI
- 程序总时钟周期数=∑CPI¡*C¡
系统CPU时间
其他时间
系统性能
CPU性能
1.时钟周期
2.时钟频率
3.CPI
执行一条指令所需要的时钟周期数
对于一条特定指令而言，CPI固定
对于一个程序或一台机器来说，CPI是该程序或该机器指令集的所有指令执行所需的平均时钟周期数
1.4.3用指令执行速度进行性能评估
MIPS
每秒执行多少百万条指令
指令平均执行时间（Gibson混合法）
峰值MIPS
相对MIPS
1.4.4用基准程序进行性能评估
基准程序
一个测试程序集，有一组程序组成
SPEC标准
一组标准的测试程序
标准输入
测试报告
性能的评价方式
不同程序执行时间算术平均值或几何平均值
考虑使用频度采用加权平均
归一化值
SPEC比值
1.4.阿姆达尔定律（Amdahl）
基本思想
对系统中某个硬件部分或者软件中的某部分进行更新所带来的系统性能的改进程度，取决于该硬件部件或软件部分被使用的频率或其执行时间占总执行时间的比例
表示形式
改进后的执行时间=改进部分执行时间/改进部分的改进倍数+未改进部分执行时间
整体改进倍数=1/(改进部分执行时间比例/改进部分的改进倍数+未改进部分执行时间比例) #p # #= # #1 #( #t #/ #n #+ #1 #- #t #)
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