计算机系统知识结构图
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计算机系统计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理机、存储器和外部设备等;软件是计算机的运行程序和相应的文档。
计算机系统具有接收和存储信息、按程序快速计算和判断并输出处理结果等功能。
1计算机系统按人的要求接收和存储信息,自动进行数据处理和计算,并输出结果信息的机器系统。
计算机是脑力的延伸和扩充,是近代科学的重大成就之一。
计算机系统由硬件(子)系统和软件(子)系统组成。
前者是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合,是系统赖以工作的实体。
后者是各种程序和文件,用于指挥全系统按指定的要求进行工作。
自1946年第一台电子计算机问世以来,计算机技术在元件器件、硬件系统结构、软件系统、应用等方面,均有惊人进步。
现代计算机系统小到微型计算机和个人计算机,大到巨型计算机及其网络,形态、特性多种多样,已广泛用于科学计算、事务处理和过程控制,日益深入社会各个领域,对社会的进步产生深刻影响。
电子计算机分数字和模拟两类。
通常所说的计算机均指数字计算机,其运算处理的数据,是用离散数字量表示的。
而模拟计算机运算处理的数据是用连续模拟量表示的。
模拟机和数字机相比较,其速度快、与物理设备接口简单,但精度低、使用困难、稳定性和可靠性差、价格昂贵。
故模拟机已趋淘汰,仅在要求响应速度快,但精度低的场合尚有应用。
把二者优点巧妙结合而构成的混合型计算机,尚有一定的生命力。
2特点编辑计算机系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断,而且通用性好,使用容易,还能联成网络。
①计算:一切复杂的计算,几乎都可用计算机通过算术运算和逻辑运算来实现。
②判断:计算机有判别不同情况、选择作不同处理的能力,故可用于管理、控制、对抗、决策、推理等领域。
③存储:计算机能存储巨量信息。
④精确:只要字长足够,计算精度理论上不受限制。
⑤快速:计算机一次操作所需时间已小到以纳秒计。
⑥通用:计算机是可编程的,不同程序可实现不同的应用。
⑦易用:丰富的高性能软件及智能化的人-机接口,大大方便了使用。
一计算机系统体系结构1.1 什么是计算机体系结构本章的第一个概念是计算机系统(computer system)。
计算机系统包括读取并执行程序的中央处理单元(CPU,保存程序和数据的存储器以及将芯片转换为实用系统的其他子系统。
这些子系统会使CPU与显示器、打印机、Internet等外部设备之间的通信变得更加容易。
•cpu(处理器): 计算机实际执行程序的部分•微处理器: 在单个硅片上实现的CPU•微机: 围绕微处理器构建的计算机计算机的性能既取决于CPU;也取决于其他子系统。
如果不能高效进行数据传输,仅仅提高CPU的性能是毫无意义的。
Figure 1:•信息(程序和数据): 保存在存储器中;计算机会使用不同类型的存储器,达到不同的目的。
–如果不能叫信息保存在正确的存储器,那么CPU的速度再快也将毫无意义–Cache: 保存常用的数据是高速专用的存储器。
–主存: 存放大量的工作数据,断电消失–辅存: 指磁盘等,用于存储海量的数据。
永久存储•组成计算机的各个子系统通过总线连接在一起,数据通过总线从计算机中的一个位置传递到另一个位置。
什么是计算机Figure 2:•输入: 指用户交给计算机的信息•输出: 指计算机返回给用户的信息可编程计算机接收两种类型的输入: 它将要处理的数据,以及准确描述要如何处理输入数据的程序。
程序不过是计算机所执行的完成给定任务的操作序列。
Figure 3:•CPU读程序并完成程序指定的操作。
内部使用寄存器来保存数据•存储器系统保存两类信息:程序,程序处理或产生的数据计算机从存储器中读出指令并执行这些指令(即完成或执行指令定义的动作)。
执行指令时,可能要从存储器中读出数据,对数据进行操作,将数据写回存储器。
寄存器是CPU内部用来存放数据的存储单元。
时钟提供了脉冲流,所有内部操作都在时钟脉冲的触发下进行。
时钟频率是决定计算机速度的一个因素程序执行过程Figure 4:CPU先读取一条指令;在CPU分析或解码指令;从存储器中读出这条指令所需的所有数据。
计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成完整的计算机系统系统包括:硬件系统和软件系统。
硬件系统和软件系统互相依赖,不可分割,两个部分又由若干个部件组成(如图所示)。
硬件系统是计算机的“躯干”,是物质基础。
而软件系统则是建立在这个“躯干”上的“灵魂”。
(一)计算机硬件计算机硬件系统由五大部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
(如下图所示)* 中央处理器( CPU —— Central Processing Unit )CPU由运算器、控制器和一些寄存器组成;1.运算器运算器是计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件,通常由算术逻辑运算部件(ALU)、累加器及通用寄存器组成。
2.控制器控制器用以控制和协调计算机各部件自动、连续地执行各条指令,通常由指令部件、时序部件及操作控制部件组成。
运算器和控制器是计算机的核心部件,这两部分合称中央处理单元(Centre Process Unit,简称CPU),如果将CPU集成在一块芯片上作为一个独立的部件,该部件称为微处理器(Microprocessor,简称MP)。
运算器进行各种算术运算和逻辑运算;控制器是计算机的指挥系统;CPU 的主要性能指标是主频和字长。
字长表示CPU每次计算数据的能力。
如80486及Pentium系列的CPU一次可以处理32位二进制数据。
时钟频率主要以MHz为单位来度量,通常时钟频率越高,其处理速度也越快。
目前的主流CPU的时钟频率已发展到500MHz以上,甚至高达2GHz以上。
*存储器存储器的主要功能是用来保存各类程序的数据信息。
存储器可分为主存储器和辅助存储器两类。
①主存储器(也称为内存储器),属于主机的一部分。
用于存放系统当前正在执行的数据和程序,属于临时存储器。
①辅助存储器(也称外存储器),它属于外部设备。
用于存放暂不用的数据和程序,属于永久存储器。
存储器与 CPU的关系可用 (图 1)来表示。
( 图 1)( 1)内存储器一个二进制位( bit)是构成存储器的最小单位。
计算机体系结构知识点总结————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:第一章计算机体系结构的基本概念1.计算机系统结构的经典定义程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。
(计算机组成:指计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现:计算机组成的物理实现)2.计算机系统的多级层次结构:1.虚拟机:应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机:传统机器语言机器->微程序机器3.透明性:在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
4.编译:先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序5.解释:对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的计算机系统结构分类法有两种:Flynn分类法、冯氏分类法(按系统并行度P m:计算机系统在单位时间内能处理的最大二进制位数)进行分类。
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类:单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)IS指令流,DS数据流,CS(控制流),CU(控制部件),PU(处理部件),MM,SM(表示存储器)7.计算机设计的定量原理:1.大概率事件优先原理(分配更多资源,达到更高性能)2.Amdahl定理:加速比:S n=T0(加速前)T n(加速后)=1(1−Fe)+Fe/Se(Fe为可改进比例(可改进部分的执行时间/总的执行时间),Se为部件加速比(改进前/改进后)3.程序的局部性原理:时间局部性:程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性:即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式:1.时钟周期时间2.CPI:CPI = 执行程序所需的时钟周期数/IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性:计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
重点
1.掌握计算机系统的五大基本组成部分
2.认识计算机核心部件CPU 。
难点:
1.了解计算机系统各个组成部分的关系、功能。
2.系统软件与应用软件的区别、主存储器与辅助存储器的区别。
3.学生对理论知识的理解。
教学方法
1、讲授法
采用依据:通过讲述引导学生关注新知识并进行思考;学生在倾听与反馈中建构知识。
2、观察法
采用依据:通过观察实物,加深学生感性认识,变抽象为形象。
3、讨论法
采用依据:通过学生充分交流和讨论,加深学生印象,巩固知识,达到教学目标
4、赏识教育法。
采用依据:通过肯定学生的好奇心、求知欲、表扬学生的优点和长处,在愉悦的环境中教学,促进学生兴趣。