计算机系统讲解（软件设计师考试内容）

计算机系统讲解（软件设计师考试内容）

计算机系统：

计算机系统可分为软件系统，硬件系统。

软件系统：系统软件和应用软件。

硬件系统：主机和外部设备。期中主机分为CPU和内存储器。外部设备S包括输入设备，输出设备，外存储器。

计算机系统的基本组成

1、计算机系统的硬件组成

基本硬件由运算器，控制器，输入设备，输出设备，存储器5大部件组成。运算器、控制器等部件已经被集成在一起，统称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）。CPU是硬件系统的核心。用于数据的加工处理，能完成各种算术、逻辑运算及控制功能。

运算器只要是对数据进行加工的部件，完成算术和逻辑运算。

控制器的主要功能是从主存中取出指令并进行分析，控制计算机的各个部件的功能。

存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器（简称内存、主存）和外存储器（简称外存）。内存的存取速度快、容量小，一般用来临时存放计算机运行时所需的程序、数据及中间结果。外存的容量大、存取的速度相对较慢，可用于长期保存信息。寄存器是CPU中的记忆设备，用来临时存放指令、数据及运算结果。与内存储器相比，寄存器的速度要更加快。
我们习惯将CPU和主存储器的有机组合称为主机。

输入/输出（I/O）设备位于主机之外，是计算机系统与外界交换信息的装置。所谓的输入和输出，都是相对于主机而言的。输入设备的作用是把转换成二进制形式的信息输入到计算机的存储器中，输入设备的作用是把运算处理结果按照人们所要求的形式输出到外部存储介质上。

2、计算机软件（了解）
计算机软件是指为管理、运行、维护及应用计算机所开发的程序的相关文档的集合。如果计算机系统中仅有硬件系统，则只具备了计算的基础，并不能真正运算，只有将解决问题的步骤编制成程序并输入到计算机内存开始运行，才能完成运算。软件系统是计算机系统中的重要组成部分，通常可将软件分为系统软件（如操作系统、语言解释程序和编译程序等）和应用软件（如QQ、微信等）两大类。

3.计算机的类型

按体积和工作能力分：巨型机，大型机，小型机，微型机。微型机如：台式机，膝上型计算机，笔记本电脑、工作站、掌上计算机和个人数字助理等。

按功能是否专一：通用计算机和专用计算机。专用计算机功能一般只有一个功能，如银行ATM机，超市的收银机。通用计算机的相反

按照CPU的指令系统架构，复杂指令系统j计算机和精简指令系统计算机。

按照体现结构和指令处理方式：单指令流单数据流计算机、单指令流多数据流计算机、多指令流单数据流计算机和多指令流多数据流计算机。

4.计算机的基本组成及工作原理

计算机硬件的基本组成包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分。其中，集成在一起的运算器和控制器称为CPU

运算器（ALU）是对数据进行加工处理的部件，它既能完成算术运算又能完成逻辑运算，所以称为算术逻辑单元。控制器的主要功能是从主存中取出指令并进行分析，控制计算机的各个部件有条不紊地完成指令地功能

存储器主要由称为内存和外存地存储器组成，为了提高整个系统地运行速度，计算机中往往还要设置寄存器高速缓存等存储器。

输入／输出设备是计算机系统与外界交换信息地装置，一般通过总线和接口将主机与I／O设备有机组合在一起。

**计算机主机结构：**CPU和主存储器。

CPU包括 运算器和控制器，运算器由 算数逻辑单元ALU 累加寄存器AC，数据缓冲寄存器，状态条件寄存器。控制器由程序计数器PC，指令译码器，指令寄存器，时序部件。

CPU的功能：

1 程序控制：CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序。（重要职能）

2 操作控制：一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。

3 时序控制：

4数据处理

寄存器组用来在指令执行过程中存放指令、操作数和中间结果，由ALU完成指令规定的运算（或操作），CU控制ALU和寄存器组正确地实现要求的操作。寄存器组、ALU和CU之间通过CPU内总线有机连接，而CPU、存储器和I/O设备则通过系统总线连接起来。

控制器的各部分的主要作用

程序计数器（AC）：当程序顺序执行时，则将转移地址送入PC内容自动增加一个值，指向下一条要取的指令。当程序出现转移时，则将转移地址送入PC，然后由PC指向新的程序地址。

指令寄存器（IR）：用于存放正在执行的指令。

指令译码器：对现行指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式。

时序部件：用于产生时序脉冲和节拍点位以控制计算机各部件有序地工作。

寄存器

寄存器是CPU中的一个重要组成部分，它是CPU内部的临时存储单元。寄存器既可以用来存放数据和地址，也可以存放控制信息或CPU工作时的状态。在CPU中增加寄存器的数量，可以使CPU把执行程序时所需的数据尽可能地放在寄存器件中，从而减少访问内存地次数，提高其运行速度。

①累加器（accumulator）：是一个数据寄存器，在运算过程中暂时存放被操作数和中间运算结果，累加器不能用于长时间地保存一个数据。
②通用寄存器组：是CPU中的一组工作寄存器。运算时用于暂存操作数或地址。在汇编程序中使用通用寄存器可以减少访问内存的次数，提高运算速度。
③指令寄存器：用于存放正在执行的指令。指令从内存取出后送入指令寄存器。其操作码部分经指令译码器送到微操作信号发生器，其地址码部分指明参加运算的操作数的地址形式方式。在指令执行过程中，指令寄存器中的内容保持不变。

④标志寄存器：也称为状态寄存器，它用于记录运算中产生的标志信息。状态寄存器中的每一位单独使用，称为标志位。标志位的取值反映了ALU当前的工作状态，可以作为条件转移指令的转移条件。典型的标志寄存器有以下几种：

计算机体系结构分类-Flynn

存储系统

①.分类

1.按照存储器所在位置可分为内存和外存。

内存也称为主存，在主机内或主机板上，用来存放机器当前运行所需要的数据以便向CPU提供信息。相对于外存，其特点是容量小速度快。

外存也称为辅存，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，在需要时，可把需要的信息调入内存。相对于内存，外存的容量大、速度慢。

2.按照材料分可分为磁存储器，半导体存储器，光存储器。

磁存储器是用磁性介质做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带和磁盘等。

半导体存储器根据所用元件又分为双极型和MOS型：根据是否需要刷新，又可分为静态（static memory）和动态（dynamic memory）两类。

3.按照工作方式可分为读写存储器(RAM)和只读存储器（ROM）。

RAM：既能读出数据也能存入数据，另外，一旦旦去掉存储器的供电电源，则存储器所存信息也随之丢失。

ROM：只读存储器所存信息是非易失的，也就是它存储的信息去掉供电电源后不会丢失，当电源恢复后它所存储的信息依然存在。根据数据的写入方式，这种存储器又可细分位ROM、PROM、EPROM、EEPROM等类型。

固定只读存储器（Read　Only　Memory，ROM）这种存储器是在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。

可编程的只读存储器（Programmable　Read　Only　Memory，PROM）其中的内容可以由用户一次性地写入，写入后不能修改。

可擦除可编程的只读存储器：（EPROM）其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改。改写的方法是，写入之前先用紫外线照射１５～２０分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。

电擦除的可编程的只读存储器（EEPROM）与EPROM相似，EEPROM中的内容既可以读出，也可以进行改写。只不过这种存储器是用电擦除的方法进行数据的改写。

闪速存储器（Flash Memory）简称闪存，闪存的特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM，闪存也可以使用电信号进行信息的擦除操作。整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM。

4.按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。

5.按寻址方式分类可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

​ 随机存储器：（Random Access Memory，RAM）这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。

​ 顺序存储器（Sequentially Addressed Memory，SAM）访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带是典型的顺序存储器。
​ 直接存储器（Direct Addressed Memory，DAM）介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内，则是顺序寻址。

②、存储系统的层次结构

一般情况下，计算机的存储结构由三级结构组成。其中高速缓存（cache）的速度最快，其次是主存储器最低层的外存储器最慢。

存储系统中采用高速缓存可显著地提高计算机系统地工作速度，但在功能上并不是必需的部件，因此在一些简单地计算机中，没有设置高速缓存，那么这种计算机地存储体系就由主存和辅存两级存储构成。

层次化的多级存储结构：局部性原理，性价比方案

③.高速缓存

cache的特点：

●位于CPU和主存之间；
●容量小，一般在几KB到几MB之间；
●速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器制成；
●其内容是主存内容的副本，对程序员来说是透明的；
●既可存放程序又可存放数据。

cache的组成：

cache主要由两部组成：控制部分和cache存储器部分。

局部性原理
① 时间局部性
② 空间局部性
③ 工作集理论：工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合

④主存储器

主存储器简称为主存、内存。

（1）主存的种类
主存一般由RAM和ROM这两种工作方式的存储器组成，其绝大部分存储空间由RAM构成。
（2）主存的组成
主存储器主要由存储体、控制线路、地址寄存器、数据寄存器和地址义马5电路等五部分组成。

①地址寄存器（MAR）：用来存放由地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码，MAR的位数N决定了其可寻址的存储单元的个数M，即M=2N。
②数据寄存器（MDR）：用来存放要写入存储器的数据或从存储体中读取的数据。
③存储体：存放程序和数据的存储空间。
④译码电路：根据存放在地址寄存器中的地址码，在存储体中找到相应的存储单元。
⑤控制线路：根据读写命令，控制主存储器的各部分协作完成相应的操作。

反映主存性能的主要术语
●存储周期（Memory Cycle Time，MCT）是指连续两次存储器访问的最小时间间隔，记作Tm。
存放要写入存储器的数据或从存储体中读取的数据。
③存储体：存放程序和数据的存储空间。
④译码电路：根据存放在地址寄存器中的地址码，在存储体中找到相应的存储单元。
⑤控制线路：根据读写命令，控制主存储器的各部分协作完成相应的操作。

反映主存性能的主要术语
●存储周期（Memory Cycle Time，MCT）是指连续两次存储器访问的最小时间间隔，记作Tm。
●带宽（bandwidth）指存储器的数据传送速率，即每秒传送的数据位数，记作Bm。假设存储器传送的数据宽度为W位（即一个存储周期中读取或写入的位数），那么：Bm=W/Tm（b/s）。