计算机系统概述

计算机的发展历程

计算机系统的层次结构

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。

硬件系统（计算机硬件）

冯·诺依曼机

冯·诺依曼机的基本思想：

• 采用“存储程序”的工作方式
• 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部分组成
• 指令和数据以同等地位存放在存储器中，形式上没有区别，计算机通过不同的指令指令周期来区分它们
• 指令和数据均以二进制代码表示。指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
• 以运算器为中心
• 输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成

现代计算机的硬件系统：以存储器为中心，并将运算器和控制器合并为CPU。

硬件系统中的硬件部件

软件系统（计算机软件）

系统软件与应用软件

软件按功能分类：

• 系统软件

系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。
主要有操作系统OS、数据库管理系统DBMS、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务型程序等。

• 应用软件

应用软件主要指为用户解决某个应用领域中各类问题而编址的程序，如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序等。

硬件与软件的逻辑功能等价性

硬件实现的往往是最基本的算术和逻辑运算功能，软件则通过扩充的方式实现大多其他功能。
对某一个功能，既可以由硬件实现，又可以由软件实现，在用户角度看，它们在功能上是等价的，这称为硬件与软件的逻辑功能等价性。

硬件实现的性能要优于软件实现的性能。
硬件与软件的逻辑功能等价性是计算机设计的重要依据。

三个级别的语言

• 机器语言。又称二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的二进制编码。机器语言是计算机唯一可以识别的语言。
• 汇编语言。用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易记忆和理解。使用汇编语言编辑的程序，必须使用翻译汇编语言的系统软件，将其翻译为机器语言后，才能在硬件系统上运行。
• 高级语言。方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。

将高级程序翻译成机器语言程序的软件称为翻译程序，有以下三类：

• 汇编程序（汇编器）。将汇编语言翻译成机器语言。
• 解释程序（解释器）。将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并执行。
• 编译程序（编译器）。将高级语言翻译成汇编语言或机器语言。

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第3级操作系统层由操作系统程序实现，操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的，所以该层也称为混合层。
在高级语言层次之上，还可以有很多应用程序层，它由解决实际问题和应用问题的处理程序组成，如文字处理软件、数据库软件、多媒体处理软件、办公自动化软件等。
没有配置软件的纯硬件系统称为裸机（第1_{2层）。第3}5层称为虚拟机，是由软件实现的机器。虚拟机器只对该层的观察者存在，该层的观察者只能通过该层的语言来使用计算机，而不关心下层是如何工作的。
层次之间关系紧密，下层是上层的基础，上层是下层的扩展。

计算机的性能指标

• 字长：计算机进行一次整数运算（定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数。

一般等于内部寄存器的位数大小，通常选定为字节（8位）的整数倍。

某16位机器、32位机器中，16、32指的是字长，也称机器字长。
字长等于CPU内部用于整数运算的数据通路的宽度，因此等于内部运算器和寄存器的长度。

• 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数
• 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的位数

它们都必须是字节的整数倍，且指令字长一般是存储字长的整数倍（因为是从存储器中取出的指令字）。

• 数据通路带宽：数据总线一次能并行传送的位数。

这里所说的数据通路是外部数据总线，与内部数据总线的长度可能不同。
各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径统称为数据通路。

• 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，主要取决于内存的存取周期。
• 响应时间：从用户发出向计算机发出一个请求（程序），到系统对该请求做出相应所需的时间。包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）。

• 基准程序：专门用来进行性能评价的程序。

基准程序的性能可能与某一小段代码密切相关，如果机器进行了针对性优化，评价可能得不到准确结果。

• 单字长定点指令平均执行速度（MIPS）：每秒执行多少百万条指令。

用于衡量CPU速度的指标，也用于衡量标量机的性能（FLOPS用于衡量向量机的性能）。

• IPC：每个时钟周期执行多少条指令。

是CPI的倒数。

其他专业术语

• 系列机：具有基本相同的体系结构，使用相同的基本指令系统的多个不同型号的计算机组成的一个产品系列。
• 兼容：指软件或硬件的通用性，即运行在某个型号的计算机系统中的软件/硬件也能应用于另一个型号的计算机系统。
• 软件可移植性：在某个系列机中的软件直接或者进行很少的修改就能运行在另一个系列机上的可能性。
• 固件：将程序固化在ROM中组成的部件。是一种具有软件特性的硬件，其执行速度快于软件，灵活性优于硬件。