计算机系统概述
什么是计算机？
计算机是指：“通用电子数字计算机”
- 通用：不是一种专用设备（所有计算机在给予足够时间和容量存储器的条件下，都可以完成同样的计算）
- 电子：采用电子元器件
- 数字：信息采用数字化的形式表示
- 硬件：处理器、存储器、外部设备
- 软件：程序、文档
计算机系统抽象层
计算机体系结构：ISA
组织与结构
- 组织：对编程人员不可见（操作单元及其相互连接）
- 结构：对编程人员可见（直接影响程序逻辑执行的属性）
指令集体系系统ISA
简称为指令系统
是一种规约，规定了如何使用硬件，包括：
- 可执行的指令的集合
- 操作数类型
- 寄存器组的结构
- 存储空间的大小和编址方式
- 存放时按照大端还是小端方式存放
- 寻址方式
- 指令执行过程的控制方式，包括程序计数器（PC）、条件码定义等
不同的ISA规定的指令集不同，但是同一种ISA也可以由不同的计算机组成
计算机简史
- 第一代：真空管（冯诺依曼结构）
冯诺伊曼结构
三个原则：二进制、存储程序、5个组成部分（主存储器、算术逻辑单元、程序控制单元、输入设备、输出设备）
- 第二代：晶体管
- 第三代：中小规模集成电路
- 第四代：超大规模集成电路
冯诺依曼结构的实现与演变：
从最初的CPU-北桥-南桥到CPU-PCH
摩尔定律
当价格不变时，单芯片上所能包含的晶体管数量每年翻一番(1965-1969) / 1970年起减慢为每18个月翻一番
影响：灵活性和可能性，电路成本下降，减少电路消耗和冷却的需求，芯片间的连接更少
计算机发展中的变与不变
- 不变：基本功能（传输、控制、存储、处理）
- 变：运算速度
计算机性能
性能评价指标：
- CPU：速度
- 存储器：速度，容量
- I/O：速度，容量
CPU性能：
- 时钟频率/速度：计算机在单位时间内（例如1秒钟）执行最基本操作的次数，单位Hz
- 时钟周期：执行每次最基本操作的时间，单位s
- 时钟周期是时钟频率的倒数
计算CPU性能的指标：
- 时钟频率f
- 时钟周期t
- CPI：指定某种指令所需要的时钟周期数/或整个程序每一条指令的平均周期数
- 执行一个程序的处理时间：T
- 每秒百万条指令：MIPS
- 每秒百万条浮点操作：MFLOPS
公式：
平均结果：
性能设计的基本原则
- 大概率事件优先原则：对于大概率事件（或最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权
- Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性比例