计组笔记 01 计算机系统概述

第1章 计算机系统概述

1 基本概念

1.1 里程碑与代际

• ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）：1946年诞生，电子管通用电子计算机，标志现代计算机时代开始。
• 四代演进（硬件/语言/特征/应用）
  1）第一代（1946–1958，电子管）：纸带/卡片，机器/汇编语言；体积大、功耗高、可靠性低；科学计算为主。
  2）第二代（1958–1965，晶体管）：磁芯存储；FORTRAN、ALGOL-60、COBOL；批处理开始；科学计算、数据处理。
  3）第三代（1965–1971，中小规模集成电路）：操作系统、多道程序、分时；应用扩大到管理、控制。
  4）第四代（1971–至今，大/超大规模集成电路）：微处理器CPU、软件工程、网络/分布式；应用遍及各行业。
• 总体趋势：速度更快、体积更小、成本更低、功耗更低。

1.2 发展定律

• 摩尔定律：芯片晶体管数 约每18个月翻一倍。
• 贝尔定律：每10年出现一代新的计算平台/系统形态。
• 吉尔德定律：网络带宽 约每12个月翻一倍。
• 梅特卡夫定律：网络价值 ∝ 用户数的平方。
• DRAM趋势：存储容量约18个月翻一倍。

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2 冯·诺依曼体系结构

2.1 组成（五大部件）

• 运算器（ALU）、
• 控制器（CU）、
• 存储器、
• 输入设备、

• 输出设备（总线连接）。

• CPU = 运算器 + 控制器。

2.2 基本思想

• 存储程序：指令和数据以相同形式存于存储器。
• 顺序执行为主：按程序计数器PC指示次序取指，可通过转移/中断改变流程。
• 二进制：信息统一以二进制编码表示和运算。
• 以运算器（CPU）为中心：通过总线与存储器、I/O交换信息。

2.3 工作过程

• 指令周期：取指 → 译码 → 执行（必要时含访存/中断处理）。
• 控制器按指令操作码发出控制信号；运算器完成相应运算；访存在存储器中读/写操作数。

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3 计算机系统的层次结构

目的：逐层抽象、向上提供统一接口，向下屏蔽实现细节。

• 第1层（硬件层）：门电路、寄存器、ALU、总线。
• 第2层（微程序/固件层）：微指令实现指令系统。
• 第3层（操作系统层，OS）：处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理，提供系统调用与命令接口。
• 第4层（汇编语言层）：汇编器把汇编→机器指令。
• 第5层（高级语言层）：编译/解释把高级语言→目标代码/指令序列。
• 第6层（应用层）：各种应用程序。

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4 软件与其分类

• 硬件：实体设备；软件：程序 + 数据结构 + 相关文档。
• 系统软件：操作系统、驱动程序、编译/汇编/链接装入程序、库、实用程序等，供全机共享。
• 支撑/开发软件：编译器、调试器、数据库工具、网络/安全工具等（教材归入系统/工具软件）。
• 应用软件：按用户需求编制的各类程序。

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5 性能指标与计算

5.1 名词

• 字长：CPU一次能并行处理的二进制位数。
• 时钟周期 **T**cT_cTc：CPU时钟的一个周期；主频 **R**eR_eRe：每秒钟周期数，Re=1/TcR_e=1/T_cRe=1/Tc。
• CPI（Cycles Per Instruction）：每条指令平均需要的时钟周期数。
• 指令条数 **I**nI_nIn：程序执行的总指令数。

5.2 必背公式

CPU执行时间：

MIPS（Million Instructions Per Second）：

• MFLOPS（Million Floating-Point Ops/S）：浮点运算吞吐率（依赖程序的浮点比例与实现）。

整体CPI：

5.3 使用与陷阱

• 比较速度优先看 执行时间T；主频高未必快（还要看CPI和指令数）。
• MIPS不可跨机型或不同程序直接比较（指令集、编译器、指令混合不同会失真）。
• 题表给出“指令类型—CPI—比例”，务必先算 CPI_avg，再代入公式求 T/MIPS。

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6 对比

• CPU vs 计算机：CPU=运算器+控制器；计算机=五大部件。
• 主存 vs 辅存：主存（RAM，快/断电失）；辅存（磁盘等，大/掉电存）。
• 主频 vs CPI：主频↑ 但 CPI大 或 指令多 仍可能慢；看 T。
• 系统软件 vs 应用软件：OS/编译器/驱动 属系统/支撑；办公套件/业务系统 属应用。
• 结构/体系：冯·诺依曼结构（存储程序、五部件、二进制、顺序控制）≠“哈佛结构”（指令/数据分存、分总线——出现在后续章节）。
• “字长” vs “地址位数”：字长是运算位宽；地址位数决定可寻址空间。

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7 主要考法与典型陷阱

7.1 单选常考点

1. 溯源记忆题：ENIAC年份（1946）；“第一台通用电子计算机”表述；“现代计算机之父/存储程序思想”对应冯·诺依曼。
   → 陷阱：把“EDVAC（存储程序设计）”与“ENIAC（非存储程序）”混淆。
2. 组成/定义题：CPU由运算器+控制器；计算机五大部件。
   → 陷阱：把“存储器”或“I/O”塞进CPU。
3. 软件分类：OS、编译器、链接装入、驱动、库 → 系统/支撑软件；应用程序 → 应用软件。
   → 陷阱：把“编译器、驱动”选成应用软件。
4. 性能计算：给出主频、CPI、指令数或指令结构比例表，问 执行时间/吞吐率/MIPS。
   → 陷阱：只看主频不算CPI；把“GHz”与“10^9”单位换算漏掉。
5. 发展定律/趋势：摩尔（18月）、带宽（12月）、平台（10年）、网络价值（N²）、DRAM（18月）。
   → 陷阱：把“18月/12月/10年”互换；把梅特卡夫误记为“线性倍增”。
6. 层次结构：给出“编译器/汇编器/系统调用/微指令/寄存器/应用”让你匹配所属层。
   → 陷阱：把“系统调用”误放到汇编层；把“微程序”误放到硬件层。

7.2 多选常考点

A) 流水线/并行：

• 流水线本质是多条指令在不同阶段的时空重叠执行；与指令分段、阶段冲突（结构/数据/控制）相关。
• 与“每条指令同时完成多个阶段”无关（那是向量/超标量/并行的其他语义）。
• 与“指令条数增加/减少”无直接关系，重点在吞吐率提升。
  B) 系统/支撑/应用划分：可能给编译器、调试器、链接程序、设备驱动、库等要求多选“系统/支撑软件”。
  C) 多类指令CPI：选项会混入“算术逻辑/LoadStore/转移/Cache失访”等；注意比例与CPI相乘求平均。
  D) I/O与存储：主存/辅存、访问方式、失访/命中（Cache缺失）等，注意概念口径。

7.3 判断题常见设问

• “现代计算机均采用存储程序”：对。
• “CPU等于计算机”：错（CPU只是运算/控制）。
• “主频越高一定更快”：错（看CPI与指令数）。
• “程序=算法”：错（程序=算法+数据结构+实现）。
• “用户不能改变应用软件功能”：易设陷阱，注意“定制化/参数化”表述。

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9 速记

• ENIAC1946；四代：电-晶-中小集成-微。
• 冯体系四要素：存储程序/二进制/顺序执行/CPU中心；CPU=CU+ALU；五大部件完善一遍。
• 六层结构：硬-微-OS-汇-高-应（向上接口、向下屏蔽）。
• 性能三式：
  • 
• 定律串背：18（摩/存）—12（带宽）—10（平台）—N²（价值）。
• 易错清单：
  • CPU≠计算机；编译器/驱动∈系统软件；主频高≠一定快；MIPS不可跨机比较；字长≠地址位数。