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自考
本章的重难点和常考知识点
-冯·诺依曼计算机结构特点（常考简答题)
-计算机硬件的基本组成（常考选择题、名词解释)-计算机的工作过程（常考选择题、简答题)
-计算机系统的层次结构（本章的难点)
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第一节 计算机硬件的基本组成
一、基本概念
硬件：物理实体装置的总称，芯片、网卡、电缆等；
软件：运行在硬件上的程序和数据以及相关文档；可分为两类：系统软件、应用软件。
程序：指挥计算机如何操作的指令序列，程序由指令组成；
指令：是计算机硬件能够直接理解并执行的最基本操作；
数据：是指令操作的对象；
存储程序方式：即编制好的程序（由若干指令组成）存入计算机存储器，当计算机工作时，能够自动选取执行。
二、冯诺依曼计算机结构特点
冯诺依曼思想要点：
1.采用二进制形式表示数据和指令
指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合。指令与数据均以二进制代码的形式共同存在存储器中。
2.由输入设备、输出设备、运算器、存储器、控制器五大部件组成。
运算器和控制器统称为CPU。把CPU与主存储器（内存）统称为主机，输入设备、输出设备、外存储器称为外部设备，简称I/O设备。
3.采用存储程序方式
存储程序是指用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需要的数据预先存储到主存储器中。
在解题过程（运行程序）中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获取所要求的结果为止。
存储程序方式是冯诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。
4.指令和数据以同等地位存在存储器中，可以按地址寻访，数据和程序统一存储。
5.指令由操作码和地址码组成
6.以运算器为中心
存储程序并按照地址执行就是冯诺依曼计算机的设计思想，就是机器自动化工作的关键。
三、现代计算机的基本组成
硬件：中央处理器、存储器、外部设备、总线；
五个基本组成部分：运算器、存储器、控制器、输出单元、输入单元。
中央处理器：
数据通路：数据通路时指指令执行过程中数据所流经的部件，其中包括各类运算部件。最重要的是能够进行算术和逻辑运算的ALU（算术逻辑部件）。
控制器：用来对指令译码，生成相应的控制信号，以控制数据通路进行特定的操作。
存储器：
内存：包括主存和高速存储器（Cache）；
外存：包括辅助存储器和海量后备存储器；
外部设备：
输入输出设备
I/O控制器：控制外部设备的控制逻辑。
总线：传输信息的通路。
第二节 计算机软件概述
一、软件分类
系统软件：操作系统（管理整个计算机系统资源，提供对应用程序的接口）、语言处理系统、数据库管理系统（DBMS）、应用程序（磁盘清理等）
应用软件：专门为某一应用所编写的程序；
第三节 计算机系统层次
一、计算机系统抽象层及转换
二、基本概念
编程语言（高级语言、机器语言、汇编语言）；
源程序、目标程序;
汇编程序、解释程序（逐条解释高级语言）、编译程序（整个翻译高级语言）;
指令集体系结构（ISA）：定义一台计算机可以执行的所有指令的集合，每条指令规定计算机可以执行什么操作，以及所处理的操作数存放的地址空间和操作数类型。（交界）
微体系结构：是ISA的具体实现组织，是软件不可感知的部分。
不同的指令集体系结构可能有不同的微体系结构。
程序开发与执行过程
一、源程序文件到可执行目标程序文件的转换过程
二、冯诺依曼结构模型机
所有的指令由控制器发出-PC程序控制器-到主存-逐条执行指令-从主存把指令读出来--ALU进行运算-标志寄存器计入标志。
通用寄存器组：用来存放操作数或操作数的地址；
标志寄存器：用来存放ALU运算所得到的一些标志信息。
程序计数器（PC）：用来存放将要执行的下一条指令的地址；
指令寄存器（IR）：用来存放从主存中读出的指令；
主存地址：每一个存储单元的唯一编号；
存储地址寄存器（MAR）：用来存放当前CPU所访问的内存单元的地址；
存储数据寄存器（MDR）：用来存放CPU与主存储器交换的数据；
三、程序与指令的关系
可执行的目标文件中包含机器代码段；
机器代码段由一条一条指令构成；
程序启动后，CPU通过逐条执行程序中的指令来实现程序的功能，
计算机系统性能评价
评价标准：
- 机器字长——指处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。
- 字长越长，表示运算的精度越高。与CPU中的寄存器位数有关。
- 吞吐量——表征一台计算机在某一时间间隔上能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。
- 响应时间——表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如毫秒（10^-6s）、纳秒（10^-9s）。
- 利用率——表示在给定的时间间隔上，系统被实际使用的时间所占的比率。一般用百分比表示。
- 总线宽度——一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
- 存储器容量——存储器中所有存储单元的总数目，通常有KB、MB、GB、TB，K=2^10。
- 存储器带宽——存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。
- 主频/时钟周期——CPU的工作节拍受到主时钟的控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫做CPU的主频。
- CPU的执行时间——表示CPU执行的一段程序所占的CPU时间。
- CPU执行时间CPU时钟周期数x CPU时钟周期长
- CPI——表示每条指令周期数,即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算:
- CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数 / 该程序包含的指令条数
- MFLOPS——表示每秒百万次浮点操作次数,用下式计算:MFLOPs =程序中的浮点操纵次数/系统执行时间*10
- MIPS是单位时间内的执行指令数,所以MIPS值越高说明机器速度越快。
- MFLOPS是基于操作而非指令的,只能用来衡量机器浮点操作的性能,而不能体现机器的整体性能。
- TFLOPS——表示每秒万亿次浮点操作次数,该技术指标一般在超级计算机中使用。
总结
计算机的硬件是由有形的电子器件形成的，包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备。
早期将运算器和控制器合在一起，称作CPU（中央处理器）。目前CPU包含存储器，称为中央处理机。存储程序按照地址顺序执行，是冯诺依曼型计算机的工作原理。
计算机的软件是计算机的主要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机软件分为系统程序和应用程序两大类。系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途。应用程序是针对某一应用课题开发的软件。
计算机系统是一个由硬件、软件组成的多层次结构，通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级都能进行程序设计，得到各级支持。
计算机性能指标主要是CPU性能指标、存储器性能指标和I/O吞吐率。
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