计算机系统概述
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计算机系统概述
计算机系统概述
冯诺依曼机
冯·诺依曼结构是现代计算机的基础模型，由五大部件组成，所有部件围绕存储器协同工作。
五大功能部件
| 部件 | 功能 |
|---|---|
| 输入设备 | 接收外部的计算步骤和初始数据 |
| 存储器 | 存放指令和数据（“存储程序”工作方式的核心） |
| 运算器 | 执行算术和逻辑运算 |
| 控制器 | 根据指令产生控制信号，协调各部件工作 |
| 输出设备 | 输出计算结果 |
三种信号线
| 信号线类型 | 功能 | 流向示例 |
|---|---|---|
| 数据线 | 传输数据 | 输入设备 → 运算器 → 存储器；运算器 ↔ 控制器 |
| 控制线 | 控制信号 | 存储器 → 所有其他部件（发出读写等控制命令） |
| 反馈线 | 状态反馈 | 各部件 → 存储器（通知操作完成或状态） |
核心要点
- 以存储器为中心，采用”存储程序”工作方式
- 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 个基本部件组成
- 指令和数据都以二进制形式存储，机器可以区分
抽象层转换
计算机系统从底层物理器件到上层应用程序，分为 9 个抽象层次：
┌──────────────┐ 软件 │ 应用（问题） │ 最终用户关心的层次 │ 算法 │ │ 编程（语言） │ │ 操作系统/虚拟机 │ ├──────────────┤ ← ISA 是软硬件分界线 硬件 │ ISA │ 指令集体系结构 │ 微体系结构 │ │ 功能部件/RTL │ 寄存器传输级 │ 电路 │ │ 器件 │ 晶体管、门电路等物理元件 └──────────────┘ISA（指令集体系结构） 是软硬件的分界线——它向上支撑操作系统和编译器，向下约束 CPU 微体系结构的设计。
用户分类
- 最终用户：使用交互式界面
- 系统管理员：利用操作系统功能对系统进行配置、维护和管理
- 应用程序员：应用层，使用高级编程语言编写程序，可以感知计算机硬件和 OS 提供的软件接口
- 系统程序员：设计和开发系统软件，熟悉计算机底层的相关硬件和系统结构
透明：一个存在的事物或概念从某个角度来看似乎不存在，即对实际存在的事物或概念感觉不到。
从源文件到执行文件
.cpp → .i → .s → .o → .exe性能指标
- 吞吐率：单位时间内完成的工作量
- 响应时间：从提交到完成所用的时间。用户感知时间 = CPU 时间 + 其他时间（包括 OS 阻塞态时间）
- 时钟周期：节拍器，CLK
- 时钟频率：CPU 时钟周期的倒数
- CPI：Clock Cycles Per Instruction
- MIPS：Million Instructions Per Second