计算机组成原理——计算机系统概述

1计算机系统概述

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1.1从源文件到可执行文件

四个阶段：

• 预处理阶段：将源文件(.c)转换成预处理文件(.i)
• 编译阶段：将预处理(.i)转换成汇编语言文件(.s)
• 汇编阶段：将源文件(.s)转换成目标文件(.o)
• 链接阶段：将目标文件和其他需 要的文件链接形成最终的可执行文件，这一阶段开始产生可执行文件的逻辑地址。

1.2冯诺依曼计算机

基本思想

• 采用“存储程序”的工作方式。所有的指令和数据存入主存中，才开始自动执行，直至程序结束。
• 由五个部件构成：运算器、控制器、储存器、输入设备、输出设备
• 指令和数据在主存中形式相同（都是二进制），计算机通过设定好的程序来区分

“存储程序”工作方式

• 程序执行前，把第一条指令的地址存到PC中
• 开始执行时，根据PC中存的地址访问主存，取出指令
• 取出指令后，计算机自动计算下一条指令的地址，存到PC中。通常称之为PC=PC+“1”，这里的1是一条指令的长度，并非数字1。
• 执行PC=PC+“1”后，在此根绝PC的值从主存中取出指令，周而复始执行。

1.3系统硬件的组成

总线

• 贯穿整个系统的一组电子管道称为总线。
• 它携带信息字节并负责在各个部件间传递。

I/O设备

• 系统与外部世界的联系通道。
• 每个I/O设备都通过一个控制器/适配器与/O总线相连，二者的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。

主存

• 一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。
• 从物理上来说，主存由一组DRAM芯片组成。
• 从逻辑上来说，存储器是一个线性的数组，每个字节都有其唯一的地址（按字节编址），这些地址是从零开始的。

CPU/处理器

• 解释/执行存储在主存中指令的引擎。
• CPU核心是一个大小为一个学的存储设备，称为程序计数器（PC）。任何时候，PC都指向主存中的某条机器语言指令。
• CPU内部包含运算器和控制器，前者用于接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理；后者作为整个系统的指挥中枢，根据指令的要求指挥协调全机工作。

1.4语言与翻译程序

三个级别的语言

• 机器语言：计算机唯一可以直接识别和执行的程序。
• 汇编语言：用英文单词作为助记符代替二进制的指令代码，比机器语言容易理解。
• 高级语言：方便程序设计人员写出解决问题的处理方案等程序，最易懂。

三种程序

• 汇编程序（汇编器）：将汇编语言程序转换为机器语言程序。
• 编译程序（编译器）：将高级语言源程序一次性翻译成目标程序（汇编语言、机器语言）。
• 解释程序（解释器）：将源程序的语句逐条翻译成对应的机器语言代码立即执行，不形成目标程序。

编译程序产生目标代码的执行速度比解释程序的执行速度快。

1.5计算机的性能指标

字长

• 机器字长：
  • 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。
  • 通常与CPU的寄存器位数、加法器有关。
• 存储字长：
  • 一个存储单元存储的二进制代码的位数。
  • 一般情况下等于机器字长，也可以是机器字长的整数倍。
• 指令字长：
  • 一个指令字中包含的二进制代码的位数。
  • 可以等于存储字长，也可以取存储字长的整数倍。
  • 若指令字长等于存储字长，那么取指周期等于机器周期。

周期

• 时钟周期：
  • 由CPU时钟定义的定长时间间隔，是CPU工作的最小时间单位。
  • 可以理解成CPU内部有一个节拍器，每一个节拍的长度就是一个时钟周期。
• 机器周期：
  • 也称为CPU周期。
  • 为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。
  • 一般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期组成。
• 指令周期：
  • CPU要执行一条机器指令经过的时间，由若干机器周期组成。
  • 指令周期的时长由指令具体要执行的操作决定

主频

• 机器内部时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。
• 主频通常以Hz为单位，1Hz表示每秒一次。
• CPU时钟周期=1/主频。
• 1kHz=每秒10^3 次=CPU时钟周期为1/10^3 s=每秒10^3个时钟周期。

CPI

• Cycle Per Instruction，即执行一条指令所需的时钟周期数。
• CPI一般是一个平均值，对于一个程序来说，其CPI指这个程序的所有指令执行所需的平均时钟周期数。
• 执行一条指令的耗时=CPIxCPU时钟周期。

CPU执行时间

• 指运行一个程序所花费的时间
• CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数CPI）/主频=CPU时钟周期数CPU时钟周期

MIPS

• Million Instructions Per Second，即每秒执行多少百万条指令。
• MIPS=指令条数/（执行时间x10^6 ）=主频/（CPIx10^6）