【计算机组成原理】概论
计算机系统简介
分为软件和硬件
软件
软件指：由具有各类特殊功能的信息(程序)组成
软件又分为系统软件和应用软件
系统软件用来管理整个计算机系统
应用软件是按任务需要编制的各种程序
硬件
硬件指：构成计算机的实体，如主机，外设
主板集成了处理器存储器输入输出控制器以及印刷线
计算机硬件系统基本组成
存储器
主板上的存储器可以被处理器直接访问，称为主存(Main Memory)，其特点是在断电后，主存信息会消失，“易失性存储器（Volatile Memory）”
其他硬件包括软盘驱动器，硬盘驱动器，光盘驱动器，以及联系它们的线缆
该机箱以及其中硬件统称主机
不包含输入/输出设备
辅助存储器(Secondary Memory,简称为辅存)，断电后这里数据不会消失，“非易失的存储器（Non-Volatile Memory）”
常见辅存有：
硬盘（Hard Disk ，HD）
软盘（Floppy Disk，FD）
光盘（Optical Disk Memory ODM）
磁带等
处理器只与速度较快的主存交换信息，不直接访问辅存（确保工作效率）
辅存信息要装入主存才能给处理器使用
处理器
通常将CU和ALU集成在一起，构成处理单元(Processing Unit,PU),也叫处理器(Processor)
一台计算机通常只拥有一个PU，而它又是核心部件，故称为中央处理器（Central Processing Unit,CPU）
一台计算机可以有多个PU，这样的叫做并行计算机（Parallel Computer）或高性能计算机（High Performance Computer）
PU的组成
在一个访存周期内
主存地址送入MAR $\Longrightarrow$启动读命令$\Longrightarrow$数据从主存写入MDR
或者
主存地址送入MAR且目标数据送入MDR $\Longrightarrow$启动写命令$\Longrightarrow$数据从MDR写入主存
主板
BIOS
Basic Input-Output System
程序为主
主板上的一个ROM芯片
存放了微机系统的基本输入输出程序、系统信息设置程序、开机上电自检程序、系统启动自举程序等
CMOS
数据为主
主板上的一个可读写的RAM芯片
存放了当前系统硬件配置、操作人员对某些参数的设定
BIOS和CMOS的关系
BIOS中的系统设置程序是完成CMOS参数设置的手段
CMOS RAM既是BIOS设定系统参数的存放场所，又是BIOS设定系统参数的结果
计算机的解题过程
计算机系统的层次结构
虚拟机
用户使用计算机时看到的这些软件的界面
这些软件的界面就是计算机所具有功能的具体体现
虚拟机实现途径有两种：解释和翻译
解释是指在执行某一层机器的源程序时，其中的指令/语句是逐条地、实时替换成以下一层机器语言编写的等效程序段，然后在下一层机器上运行。
翻译是指某一层机器的源程序，在运行之前，先一次性地转换成以下一层机器语言编写的程序，然后在下一层机器上运行。
计算机体系结构、组成与实现
计算机体系结构
计算机体系结构是指程序员所看到的机器属性，即机器的概念性结构和功能表现
同一家厂家生产的具有相同体系结构的计算机称为系列计算机（Family Computer）简称系列机
软件兼容：同一个程序可以不加修改地在相同体系结构的各档机器上正确运行，唯一区别仅在于时间长短不同
不同厂家生产的具有相同计算机体系结构的计算机称为兼容计算机，简称兼容机
计算机组成与计算机实现
计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。一种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成
计算机实现是计算机组成的物理实现。一种计算机组成也可以有多种不同的计算机实现
计算机体系结构、组成与实现的关系
等价性原理：硬件和软件在逻辑功能上等价。即软件的功能在原理上可以由硬件或固件来实现；硬件的功能在原理上也可以由软件的模拟来实现
计算机体系结构的核心是指令集（Instruction Set）指令集就是软硬件功能划分的界面
计算机的基本组成
冯·诺伊曼计算机模型
将计算机的用途和硬件完全分离。引入“程序”和“存储器”，采用“存储程序的控制方案”
存储程序思想（冯·诺伊曼思想）
将指令和数据以同一形式（二进制）存入计算机的同一存储装置（存储器）中，使得计算机在工作时能自动（不需人工干预）、高速地从存储器中取出指令加以执行，并自动转入到下一条指令执行。
冯·诺依曼计算机的基本组成：
基本组成：运算器、存储器、输入单元 、输出单元、控制器**。**
冯·诺伊曼计算机硬件框图
基本特征
组成
计算机由运算器、存储器、输入/输出单元和控制器组成，以运算器为中心连接在一起
存储器
存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问
程序
程序是由一条条指令有序排列而成。而指令由操作码和地址码两部分组成
二进制
指令和数据均采用二进制数表示及运算
相同
程序(指令)与数据是同等的不加区分的存储在同一个存储器中
PC
设置程序计数器PC来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器自动加1，指向下一条指令的存储单元
计算机硬件框图
以存储为中心的计算机
现代计算机硬件框图
理解
冯·诺伊曼计算机是以一个部件为中心，五个部件互联的星型结构
这样是最简单的、连接链路最少的
由于外围四个部件只能与中心部件进行数据通信，且有的数据通路还是单向
故冯·诺伊曼计算机所需要的数据传送功能也最少、最简单
冯·诺伊曼计算机：用最简单、最易于实现的思想来表示数据并实现运算，用最简单的互联结构来组成一台计算机
计算机的工作步骤
上机前准备
建立数学模型
确定计算方法
编制解题程序
计算机的解题过程
存储器的基本组成
存储单元：存放一串二进制代码
存储字：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元二进制代码的位数；每个单元赋予一个地址号
按地址寻访
MAR 存储器地址寄存器 反映存储单元个数 MAR n位 则存储单元个数为$2^n$个
MDR 存储器数据寄存器 反映存储字长 MDR n位 则存储字长为n
运算器的基本组成
控制器的基本组成
主机完成一条指令的过程
取数指令
存数指令
计算机硬件的主要技术指标
机器字长
CPU一次能处理数据的位数，与CPU中寄存器的位数有关
运算速度
主频
吉普森法 $T_M=\sum^n_{i=1}f_it_i$
MIPS 每秒执行百万条指令
CPI 执行一条指令所需的时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
存储容量
存放二进制信息的总位数
存储单元个数 × 存储字长
几个单位
主频
主频的倒数叫时钟周期
执行一个程序的所需的处理器时间可用 该程序指令条数×CPI×时钟周期来估算
存储器的存取周期
即对存储器进行一次完整的读/写操作所需的全部时间，也是连续对存储器进行存/取的最小时间间隔，称为存储器的存取周期。
半导体存储器的存取周期在几十到上百纳秒$10^{-9}s,ns$之间
磁盘存取周期在10毫秒$10^{-3},ms$以上
功耗
功耗随主频和片内晶体管数量的提高而提高。现代处理器功耗峰值超过100w
移动计算领域功耗是压倒一切的性能指标
软件兼容性
软件兼容可分为向上(下)兼容和向前(后)兼容
“向上（下）兼容”是指为某档机器编制的软件，不加修改就可以正确运行在比它更高（低）档的机器上；“向前（后）兼容”是指为某个时期投入市场的某种型号机器编制的软件，不加修改就可以正确运行在比它早（晚）投入市场的相同型号机器上。
系列机之间必须能够做到“向后兼容” ，力争做到“向上兼容”，对于“向下兼容”或“向前兼容”不做要求**。**
系统软件配置
常见的系统软件有：操作系统、数据库系统、文本编辑器、高级语言程序开发环境、互联网浏览器
吞吐率和响应时间
吞吐率是指计算机系统在单位时间内完成的任务数
响应时间是指用户在输入命令或数据后得到第一个结果的时间间隔
辅助存储器容量
决定了计算机系统能存储的信息总量
可拓缩性
一个计算机可以在保持软件兼容性的同时，可向上拓展获得更高性能，也可以向下收缩来降低价格
RASIS特性
可靠性（reliability）
可用性（availability）
可服务性/可维护性（serviceability）
完整性（integrality）
安全性（security）
可靠性用“平均无故障时间(Mean Time To Failure，MTTF)”或“平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure，MTBF)”来衡量，可服务性/可维护性用“平均修复时间(Mean Time To Repair，MTTR)”来衡量。