計算機系統講解（軟件設計師考試內容）

計算機系統講解（軟件設計師考試內容）

計算機系統：

計算機系統可分爲軟件系統，硬件系統。

軟件系統：系統軟件和應用軟件。

硬件系統：主機和外部設備。期中主機分爲CPU和內存儲器。外部設備S包括輸入設備，輸出設備，外存儲器。

計算機系統的基本組成

1、計算機系統的硬件組成

基本硬件由運算器，控制器，輸入設備，輸出設備，存儲器5大部件組成。運算器、控制器等部件已經被集成在一起，統稱爲中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）。CPU是硬件系統的核心。用於數據的加工處理，能完成各種算術、邏輯運算及控制功能。

運算器只要是對數據進行加工的部件，完成算術和邏輯運算。

控制器的主要功能是從主存中取出指令並進行分析，控制計算機的各個部件的功能。

存儲器是計算機系統中的記憶設備，分爲內部存儲器（簡稱內存、主存）和外存儲器（簡稱外存）。內存的存取速度快、容量小，一般用來臨時存放計算機運行時所需的程序、數據及中間結果。外存的容量大、存取的速度相對較慢，可用於長期保存信息。寄存器是CPU中的記憶設備，用來臨時存放指令、數據及運算結果。與內存儲器相比，寄存器的速度要更加快。
我們習慣將CPU和主存儲器的有機組合稱爲主機。

輸入/輸出（I/O）設備位於主機之外，是計算機系統與外界交換信息的裝置。所謂的輸入和輸出，都是相對於主機而言的。輸入設備的作用是把轉換成二進制形式的信息輸入到計算機的存儲器中，輸入設備的作用是把運算處理結果按照人們所要求的形式輸出到外部存儲介質上。

2、計算機軟件（瞭解）
計算機軟件是指爲管理、運行、維護及應用計算機所開發的程序的相關文檔的集合。如果計算機系統中僅有硬件系統，則只具備了計算的基礎，並不能真正運算，只有將解決問題的步驟編製成程序並輸入到計算機內存開始運行，才能完成運算。軟件系統是計算機系統中的重要組成部分，通常可將軟件分爲系統軟件（如操作系統、語言解釋程序和編譯程序等）和應用軟件（如QQ、微信等）兩大類。

3.計算機的類型

按體積和工作能力分：巨型機，大型機，小型機，微型機。微型機如：臺式機，膝上型計算機，筆記本電腦、工作站、掌上計算機和個人數字助理等。

按功能是否專一：通用計算機和專用計算機。專用計算機功能一般只有一個功能，如銀行ATM機，超市的收銀機。通用計算機的相反

按照CPU的指令系統架構，複雜指令系統j計算機和精簡指令系統計算機。

按照體現結構和指令處理方式：單指令流單數據流計算機、單指令流多數據流計算機、多指令流單數據流計算機和多指令流多數據流計算機。

4.計算機的基本組成及工作原理

計算機硬件的基本組成包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大部分。其中，集成在一起的運算器和控制器稱爲CPU

運算器（ALU）是對數據進行加工處理的部件，它既能完成算術運算又能完成邏輯運算，所以稱爲算術邏輯單元。控制器的主要功能是從主存中取出指令並進行分析，控制計算機的各個部件有條不紊地完成指令地功能

存儲器主要由稱爲內存和外存地存儲器組成，爲了提高整個系統地運行速度，計算機中往往還要設置寄存器高速緩存等存儲器。

輸入／輸出設備是計算機系統與外界交換信息地裝置，一般通過總線和接口將主機與I／O設備有機組合在一起。

**計算機主機結構：**CPU和主存儲器。

CPU包括 運算器和控制器，運算器由 算數邏輯單元ALU 累加寄存器AC，數據緩衝寄存器，狀態條件寄存器。控制器由程序計數器PC，指令譯碼器，指令寄存器，時序部件。

CPU的功能：

1 程序控制：CPU通過執行指令來控制程序的執行順序。（重要職能）

2 操作控制：一條指令功能的實現需要若干操作信號來完成，CPU產生每條指令的操作信號並將操作信號送往不同的部件，控制相應的部件按指令的功能要求進行操作。

3 時序控制：

4數據處理

寄存器組用來在指令執行過程中存放指令、操作數和中間結果，由ALU完成指令規定的運算（或操作），CU控制ALU和寄存器組正確地實現要求的操作。寄存器組、ALU和CU之間通過CPU內總線有機連接，而CPU、存儲器和I/O設備則通過系統總線連接起來。

控制器的各部分的主要作用

程序計數器（AC）：當程序順序執行時，則將轉移地址送入PC內容自動增加一個值，指向下一條要取的指令。當程序出現轉移時，則將轉移地址送入PC，然後由PC指向新的程序地址。

指令寄存器（IR）：用於存放正在執行的指令。

指令譯碼器：對現行指令進行分析，確定指令類型、指令所要完成的操作以及尋址方式。

時序部件：用於產生時序脈衝和節拍點位以控制計算機各部件有序地工作。

寄存器

寄存器是CPU中的一個重要組成部分，它是CPU內部的臨時存儲單元。寄存器既可以用來存放數據和地址，也可以存放控制信息或CPU工作時的狀態。在CPU中增加寄存器的數量，可以使CPU把執行程序時所需的數據儘可能地放在寄存器件中，從而減少訪問內存地次數，提高其運行速度。

①累加器（accumulator）：是一個數據寄存器，在運算過程中暫時存放被操作數和中間運算結果，累加器不能用於長時間地保存一個數據。
②通用寄存器組：是CPU中的一組工作寄存器。運算時用於暫存操作數或地址。在彙編程序中使用通用寄存器可以減少訪問內存的次數，提高運算速度。
③指令寄存器：用於存放正在執行的指令。指令從內存取出後送入指令寄存器。其操作碼部分經指令譯碼器送到微操作信號發生器，其地址碼部分指明參加運算的操作數的地址形式方式。在指令執行過程中，指令寄存器中的內容保持不變。

④標誌寄存器：也稱爲狀態寄存器，它用於記錄運算中產生的標誌信息。狀態寄存器中的每一位單獨使用，稱爲標誌位。標誌位的取值反映了ALU當前的工作狀態，可以作爲條件轉移指令的轉移條件。典型的標誌寄存器有以下幾種：

計算機體系結構分類-Flynn

存儲系統

①.分類

1.按照存儲器所在位置可分爲內存和外存。

內存也稱爲主存，在主機內或主機板上，用來存放機器當前運行所需要的數據以便向CPU提供信息。相對於外存，其特點是容量小速度快。

外存也稱爲輔存，如磁盤、磁帶、光盤等，用來存放當前不參加運行的大量信息，在需要時，可把需要的信息調入內存。相對於內存，外存的容量大、速度慢。

2.按照材料分可分爲磁存儲器，半導體存儲器，光存儲器。

磁存儲器是用磁性介質做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁帶和磁盤等。

半導體存儲器根據所用元件又分爲雙極型和MOS型：根據是否需要刷新，又可分爲靜態（static memory）和動態（dynamic memory）兩類。

3.按照工作方式可分爲讀寫存儲器(RAM)和只讀存儲器（ROM）。

RAM：既能讀出數據也能存入數據，另外，一旦旦去掉存儲器的供電電源，則存儲器所存信息也隨之丟失。

ROM：只讀存儲器所存信息是非易失的，也就是它存儲的信息去掉供電電源後不會丟失，當電源恢復後它所存儲的信息依然存在。根據數據的寫入方式，這種存儲器又可細分位ROM、PROM、EPROM、EEPROM等類型。

固定只讀存儲器（Read　Only　Memory，ROM）這種存儲器是在廠家生產時就寫好數據的，其內容只能讀出，不能改變。

可編程的只讀存儲器（Programmable　Read　Only　Memory，PROM）其中的內容可以由用戶一次性地寫入，寫入後不能修改。

可擦除可編程的只讀存儲器：（EPROM）其中的內容既可以讀出，也可以由用戶寫入，寫入後還可以修改。改寫的方法是，寫入之前先用紫外線照射１５～２０分鐘以擦去所有信息，然後再用特殊的電子設備寫入信息。

電擦除的可編程的只讀存儲器（EEPROM）與EPROM相似，EEPROM中的內容既可以讀出，也可以進行改寫。只不過這種存儲器是用電擦除的方法進行數據的改寫。

閃速存儲器（Flash Memory）簡稱閃存，閃存的特性介於EPROM和EEPROM之間，類似於EEPROM，閃存也可以使用電信號進行信息的擦除操作。整塊閃存可以在數秒內刪除，速度遠快於EPROM。

4.按訪問方式可分爲按地址訪問的存儲器和按內容訪問的存儲器。

5.按尋址方式分類可分爲隨機存儲器、順序存儲器和直接存儲器。

​ 隨機存儲器：（Random Access Memory，RAM）這種存儲器可對任何存儲單元存入或讀取數據，訪問任何一個存儲單元所需的時間是相同的。

​ 順序存儲器（Sequentially Addressed Memory，SAM）訪問數據所需要的時間與數據所在的存儲位置相關，磁帶是典型的順序存儲器。
​ 直接存儲器（Direct Addressed Memory，DAM）介於隨機存取和順序存取之間的一種尋址方式。磁盤是一種直接存取存儲器，它對磁道的尋址是隨機的，而在一個磁道內，則是順序尋址。

②、存儲系統的層次結構

一般情況下，計算機的存儲結構由三級結構組成。其中高速緩存（cache）的速度最快，其次是主存儲器最低層的外存儲器最慢。

存儲系統中採用高速緩存可顯著地提高計算機系統地工作速度，但在功能上並不是必需的部件，因此在一些簡單地計算機中，沒有設置高速緩存，那麼這種計算機地存儲體系就由主存和輔存兩級存儲構成。

層次化的多級存儲結構：局部性原理，性價比方案

③.高速緩存

cache的特點：

●位於CPU和主存之間；
●容量小，一般在幾KB到幾MB之間；
●速度一般比主存快5~10倍，由快速半導體存儲器製成；
●其內容是主存內容的副本，對程序員來說是透明的；
●既可存放程序又可存放數據。

cache的組成：

cache主要由兩部組成：控制部分和cache存儲器部分。

局部性原理
① 時間局部性
② 空間局部性
③ 工作集理論：工作集是進程運行時被頻繁訪問的頁面集合

④主存儲器

主存儲器簡稱爲主存、內存。

（1）主存的種類
主存一般由RAM和ROM這兩種工作方式的存儲器組成，其絕大部分存儲空間由RAM構成。
（2）主存的組成
主存儲器主要由存儲體、控制線路、地址寄存器、數據寄存器和地址義馬5電路等五部分組成。

①地址寄存器（MAR）：用來存放由地址總線提供的將要訪問的存儲單元的地址碼，MAR的位數N決定了其可尋址的存儲單元的個數M，即M=2N。
②數據寄存器（MDR）：用來存放要寫入存儲器的數據或從存儲體中讀取的數據。
③存儲體：存放程序和數據的存儲空間。
④譯碼電路：根據存放在地址寄存器中的地址碼，在存儲體中找到相應的存儲單元。
⑤控制線路：根據讀寫命令，控制主存儲器的各部分協作完成相應的操作。

反映主存性能的主要術語
●存儲週期（Memory Cycle Time，MCT）是指連續兩次存儲器訪問的最小時間間隔，記作Tm。
存放要寫入存儲器的數據或從存儲體中讀取的數據。
③存儲體：存放程序和數據的存儲空間。
④譯碼電路：根據存放在地址寄存器中的地址碼，在存儲體中找到相應的存儲單元。
⑤控制線路：根據讀寫命令，控制主存儲器的各部分協作完成相應的操作。

反映主存性能的主要術語
●存儲週期（Memory Cycle Time，MCT）是指連續兩次存儲器訪問的最小時間間隔，記作Tm。
●帶寬（bandwidth）指存儲器的數據傳送速率，即每秒傳送的數據位數，記作Bm。假設存儲器傳送的數據寬度爲W位（即一個存儲週期中讀取或寫入的位數），那麼：Bm=W/Tm（b/s）。