计算机系统结构图

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。

计算机应用基础02--计算机系统的组成系统一词是指由若干相互独立而又相互有联系的部份组成的整体。

从这个角度而言，计算机是由硬件和软件两大部份组成，如下图示。

在计算机系统中，硬件是计算机的躯体，软件是计算机的灵魂。

没有躯体计算机软件就无用武之地；没有灵魂，计算机硬件只能是一台毫无意义的机器。

所以，软件和硬件是相辅相成的，缺一不可。

没有软件的计算机称为裸机。

计算机应用基础03—硬件系统的基本组成硬件是指构成计算机的物理装置，看得见，摸得着，是一些实实在在在的实体。

通常，硬件都是指计算机本身。

半个多世纪以来，虽然计算机发展很快，其性能指标，运算速度，工作方式等都有了巨大的变化，但计算机的基本结构一直没有改变，如下图示计算机硬件系统的基本组成都是由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备这五大部件构成，一个都不能少。

图中实线为数据流，代表数据或指令，在机内表现为二进制数形式；虚线为控制流，代表控制信号，在机内呈现高低电平形式，起控制作用。

1、运算器（ALU-Arithmetic Logic Unit）运算器又称算术逻辑部件，简称ALU，是计算机用来进行算术运算和逻辑运算的部件。

算术运算是指加，减，乘，除（有些ALU无乘除运算功能，乘除运算是通过加减运算和移位实现的），逻辑运算是指与，或，非，比较，移位等操作。

正是因为运算器的逻辑运算功能使得计算机具有因果关系分析的能力。

运算器的工作是在控制器的控制下对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。

2存储器（Memory）存储器是计算中具有记忆能力的部件，用来存放程序或数据。

程序中的指令总是被送到控制器解释执行，数据则总是被送到运算器进行运算。

存储器就是一种能根据地址存取指令和数据的装置。

存储器分为内存器和外存储器两种。

计算机基本组成中的存储器大多是指内存储器，而外存储器一般是作为输入输出设备使用。

内存储器简称内存或主存，一般是由半导体器件构成，存取速度快。

第2章微型计算机系统的组成2.1 微型计算机系统的基本组成微型计算机系统包括硬件系统和软件系统，如图2.1所示。

硬件系统是看得见、摸得着的实体部分；而软件系统是为了更好地利用计算机而编写的程序及文档。

它们之间的关系犹如一个人的躯体和思想一样，躯体是硬件，思想则是软件。

图2.1 微型计算机系统结构图几乎所有的微型计算机都把主机部分、软盘驱动器、硬盘驱动器及电源等封装在主机箱内。

从外观上看，有卧式、立式和笔记本等几种机型。

典型的微型计算机如图2.2所示。

图2.2 微型计算机照片计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制，并实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。

虽然计算机的制造技术从计算机出现到今天已经发生了很大的变化，但在基本的硬件结构方面，却一直沿袭着冯·诺伊曼的传统框架，即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件构成。

图2.3列出了一个计算机系统的基本硬件结构。

实线代表数据流，虚线代表指令流，计算机各部件之间的联系就是通过这两股信息流动来实现的。

原始数据和程序通过输入设备送入存储器，在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，运算的结果存入存储器，必要时再经输出设备输出。

指令也以数据形式存于存储器中，运算时指令由存储器送入控制器，由控制器控制各部件的工作。

由此可见，输入设备负责把用户的信息（包括程序和数据）输入到计算机中；输出设备负责将计算机中的信息（包括程序和数据）传送到外部媒介，供用户查看或保存；存储器负责存储数据和程序，并根据控制命令提供这些数据和程序，它包括内存（内存储器）和外存（外存储器）；运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算（即对数据进行加工处理）；控制器负责对程序所规定的指令进行分析，控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。

下面分别对其各部分进行介绍。

2.2 微型机的硬件系统2.2.1 微型机的硬件设备1. 主板主机由中央处理器和内存储器组成，用来执行程序、处理数据，主机芯片都安装在一块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。

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。