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1、一、 计算机系统概述（一） 计算机发展历程（了解）知识点一：第一台计算机 ENIAC知识点二：冯诺依曼（VanNeumann）首次提出存储程序的概念，将数据和程序一起放在存储器中，使得编程更加方便。50多年来，虽然对冯诺依曼机进行了很多改革，但结构变化不大，仍然称为冯诺依曼机。知识点三：一般把计算机的发展分为四个阶段：第一代（1946-50s后期）：电子管计算机时代；第二代（50s中期-60s后期）：晶体管计算机时代；第三代（60s中期-70s前期）：集成电路计算机时代；第四代（70s初-）：大规模集成电路计算机时代。知识点四：冯诺依曼计算机的特点冯诺依曼体系计算机的核心思想是“存储程序”的概
2、念。它的特点如下：(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成；(2) 指令和数据都用二进制代码表示；(3) 指令和数据都以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；(4) 指令是由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置；(5) 指令在存储器内是顺序存放的；(6) 机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。（二） 计算机系统层次结构（了解） 计算机系统的层次结构，通常可有五个以上的层次，在每一个层次上都能进行程序设计。由下自上可排序为：第一级微程序机器级，微指令由机器直接执行，第二级传统机器级，用微程序解
3、释机器指令，第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句，第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行，第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行。还可以有第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。1. 计算机硬件的基本组成推荐精选图中实线为控制线，虚线为反馈线，双线为数据线。图中各部件的功能是：(1) 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；(2) 存储器用来存放数据和程序；(3) 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果；(4) 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘
4、、鼠标等；(5) 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式如打印机输出、显示器输出等。计算机的五大部件在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将他们合起来统称为中央处理器，简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备。因此，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器MM。CPU与MM合起来称为主机，I/O设备叫作外设。存储器分为主存储器MM和辅助存储器。主存可直接与CPU交换信息，辅存又叫外存。2. 计算机软件的分类计算机的软件通常
5、又分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。它包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件等等。应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务所编制的各种程序。3. 计算机的工作过程推荐精选1运算器运算器包括三个寄存器和一个算逻单元ALU。其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。这三个寄存器在完成不同运算时，所存放在操作数类别也各不相同。2存储器主存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（
6、读出）。这种存取方式叫做按地址存取，也即按地址访问存储器（简称访存）。为了能实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。MAR是存储器地址寄存器,用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。MDR是存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。要想完整地完成一个取或存操作。3控制器控制器是计算机组成的神经中枢，由它指挥全机各部件自动、协调地工作。具体而言，它首先要命令存储器读出一条指令，这叫取指过程。接着对这条指令进行分析，指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址，这叫分析指令过程。最
7、后根据操作数所在的地址，取出操作数并完成某种操作，这叫作执行过程。以上就是通常所说的完成一条指令操作的取指、分析和执行三阶段。控制器由程序计数器PC，指令寄存器IR以及控制单元CU几部分组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址， 它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能， 即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前的指令， IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码送到CU，用来分析指令；其地址码作为操作数的地址送至存储器的MAR。 CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。4I/OI/O子系统包括各种外部设备及相应的接口。每一种设备
8、都是由I/O接口与主机联系的，它接受CU发出的各种控制命令完成相应的操作。推荐精选计算机的解题过程如下：首先把构成程序的有序指令和数据，通过键盘输入到主存单元中，并置PC的初值为0（即令程序的首地址为0）。启动机器后，计算机便自动按存储器中所存放的指令顺序，有序地逐条完成取指令、分析指令和执行指令，直至执行到程序的最后一条指令为止。（三） 计算机性能指标1. 吞吐量、响应时间（1) 吞吐量：单位时间内的数据输出数量。（2) 响应时间：从事件开始到事件结束的时间，也称执行时间。2. CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间（1） CPU时钟周期：机器主频的倒数，Tc（2）主频：CPU工作主时
9、钟的频率，机器主频Rc（3）CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期（4）CPU执行时间：TCPU=InCPITC In执行程序中指令的总数 CPI执行每条指令所需的平均时钟周期数 TC时钟周期时间的长度3. MIPS、MFLOPS（1）MIPS：MIPS(Million Instructions Per Second) MIPS = In/(Te106) = In/(InCPITc106) = Rc/(CPI106)Te：执行该程序的总时间In：执行该程序的总指令数Rc：时钟周期Tc的到数 MIPS只适合评价标量机，不适合评价向量机。标量机执行一条指令，得到一个运行结果。而向量机执行一条指令
10、，可以得到多个运算结果。（2） MFLOPS： MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te106)Ifn：程序中浮点数的运算次数 MFLOPS测量单位比较适合于衡量向量机的性能。一般而言，同一程序运行在不同的计算机上时往往会执行不同数量的指令数，但所执行的浮点数个数常常是相同的。二、 数据的表示和运算（一） 数制与编码推荐精选1. 进位计数制及其相互转换2. 真值和机器数3. BCD码4. 字符与字符串5. 校验码（二） 定点数的表示和运算1. 定点数的表示无符号数的表示；有符号数的表示。2. 定点数的
11、运算定点数的位移运算；原码定点数的加/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方法。（三） 浮点数的表示和运算1. 浮点数的表示浮点数的表示范围；IEEE754标准2. 浮点数的加/减运算（四） 算术逻辑单元ALU1. 串行加法器和并行加法器2. 算术逻辑单元ALU的功能和机构三、 存储器层次机构（cache-主存-外存的层次结构、cache的三种不同映象方式、主存芯片的子扩展和位扩展方案设计以及续存相关地址转换的内容是重点）（一） 存储器的分类1按存储介质分（1）半导体存储器。存储元件由半导体器件组成的叫半导体存储器。其优点是体积小、功耗低、存取时间短。其缺点是当电
12、源消失时，所存信息也随即丢失，是一种易失性存储器。2）磁表面存储器。按载磁体形状的不同，可分为磁盘、磁带和磁鼓。现代计算机已很少采用磁鼓。由于用具有矩形磁滞回线特性的材料作磁表面物质，它们按其剩磁状态的不同而区分“0”或“1”，而且剩磁状态不会轻易丢失，故这类存储器具有非易失性的特点。3) 磁芯存储器 不用了4）光盘存储器。光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器，具有非易失性的特点推荐精选。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。2按存取方式分类按存取方式可把存储器分为随机存储器、只读存储器、顺序存储器和直接存取存储器四类。（1）随机存储器RAM(Random
13、Access Memory)。RAM是一种可读写存储器， 其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。由于存储信息原理的不同， RAM又分为静态RAM (以触发器原理寄存信息)和动态RAM(以电容充放电原理寄存信息)。（2）只读存储器ROM(Read only Memory)。只读存储器是能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。这种存储器一旦存入了原始信息后，在程序执行过程中，只能将内部信息读出，而不能随意重新写入新的信息去改变原始信息。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数以及汉字字库，甚至用于
14、操作系统的固化。它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域。只读存储器分为掩膜型只读存储器MROM（Masked ROM）、可编程只读存储器PROM(Programmable ROM)、可擦除可编程只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM)、用电可擦除可编程的只读存储器EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)。以及近年来出现了的快擦型存储器Flash Memory，它具有EEPROM的特点，而速度比EEPROM快得多。（3）串行访问存储器。如果对存储单元进行读写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻
15、找地址，则这种存储器叫做串行访问存储器。显然这种存储器由于信息所在位置不同，使得读写时间均不相同。如磁带存储器，不论信息处在哪个位置，读写时必须从其介质的始端开始按顺序寻找，故这类串行访问的存储器又叫顺序存取存储器。还有一种属于部分串行访问的存储器，如磁盘。在对磁盘读写时，首先直接指出该存储器中的某个小区域(磁道)，然后再顺序寻访，直至找到位置。故其前段是直接访问，后段是串行访问，叫直接存取存储器。3按在计算机中的作用分类按在计算机系统中的作用不同，存储器又可分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。（二） 存储器的层次化结构 主要是为了解决速度匹配问题 存储器有3个重要的指标：速度、容量和每位价格，一般来说，速度越快，位价越高；容量越大，位价越低，容量大，速度就越低。上述三者的关系用下图表示：推荐精选寄存器缓存主存磁盘磁带存储系统层次结构主要体现在缓存-主存-辅存这两个存储层次上，如下
