1.1 计算机的基本概念

电子计算机

是一种可以存储程序，并且通过执行程序指令，可以自动、高效、精确地对数字信息进行复杂处理，然后输出运算结果的高科技智能电子设备

计算机系统包括五个逻辑模块：

控制器是计算机系统的核心，整个计算机系统都要在控制器的控制信息下运行。
运算器和控制器都已经集成在CPU中

1.1.1 信息的数字化表示

1. 在计算机中用 数字代码 （二进制代码） 表示各种信息
   如用数字代码表示数字、字符、命令、状态
   启动：00
   停止：01
   正在工作：10
   工作结束：11
2. 在物理机制上用数字信号（数字型电信号）表示数字代码
   例1：用电平信号表示数字代码
   例2：用脉冲信号表示数字代码
   
3. 信息数字化表示的优点
   （1） 物理上易实现信息的表示与存储
   （2） 抗干扰能力强，可靠性高
   （3） 数字的表示范围大，精度高（增加二进制代码长度位数）
   （4） 可表示的信息类型广泛
   （5）能用数字逻辑技术进行处理

1.1.2存储程序工作方式

1. 编制程序
2. 存储程序
3. 自动、连续执行程序
4. 输出结果

计算机的工作流程

1.1.3 计算机的分类

计算机从总体上分为两类：模拟计算机，数字计算机

1. 模拟计算机主要特点：由模拟运算器件构成，处理在时间和数值上连续的模拟量（如：电压、电流、温度变化等）
2. 数字计算机：由数字逻辑器件构成，处理离散的数字量（处理01的二进制代码）。
   数字计算机按适应性分为：
   （1）专用计算机：以快速、经济、高集成度为指标的特殊计算机
   （2）通用计算机：适应性高，但牺牲了效率、速度、经济
   按系统规模和计算能力分为：
   （1）巨型机（超算）
   （2）大型机
   （3）小型机
   （4）微型机
   系统规模和计算能力递减，随着超大规模集成电路技术的不断发展，类型的划分会动态变化。

1.2 计算机的诞生与发展

计算机之父：冯诺依曼
1945年提出“存储程序通用电子计算机”方案——EDVAC （冯诺依曼思想）

1.2.1 冯诺依曼体系

1. 用二进制代码表示程序和数据

任何复杂运算和操作都转换成用二进制代码表示的指令，数据也用二进制代码来表示

2. 采用存储程序的工作方式

将程序和数据存储起来（存储程序），让计算机自动地执行指令完成各种复杂的运算操作（核心思想）

3. 新型的现代计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入输出设备
   冯诺依曼体系奠定了现代电子计算机的理论基础

1.2.2 计算机的发展历程

1.2.3 未来发展趋势

1. 向巨型化方向发展
2. 向微型化方向发展
3. 向多媒体化方向发展
4. 向网络化方向发展
5. 向智能化方向发展

1.3 计算机系统的层次

1. 硬件

是指构成计算机系统的实体和装置之类的有形设备，是组成计算机系统的物质基础

2. 软件

是指由硬件所表达的各种内在信息，包括数据与控制程序。因为它们是无形的东西，所以称为软件或软设备

1.3.1 计算机的硬件系统组成

1. 硬件系统的基本组成模型
   
   以总线型的系统架构
   主要功能部件

• CPU（Central Processing Unit）
  主要由运算器、控制器等功能部件组成
  （1）运算器
  a. 功能：完成算术逻辑运算
  b. 组成特点：主要由ALU（算术逻辑单元）**构成，构成算术、逻辑运算以及移位循环等操作，是CPU功能的主要执行部件

  ALU以全加器为核心，具有多种运算功能

  c.运算的位数越多，计算精度越高，但器件也越复杂
  （2）控制器
  a.功能：产生控制命令（微命令），控制全机操作
  b.基本组成：

• 存储器
  （1）功能：存储数据和数字化的程序

  不论是数据，还是程序，存储的全是0或1表示的二进制代码

  a. 存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个存储电路，组成一个存储单元
  b. 地址：存储器由许多存储单元，每个存储单元的编号为地址
  c. 存储容量：存储器所有存储单元的总数

  存储容量越大， 表示存储的信息越多，常用的单位：KB，MB，GB，TB，PB等

  d.内存储器：即主存，是一种用来存放直接为CPU提供服务的程序和数据存储器

  半导体存储芯片构成，特点：工作速度快，存储容量比外存小

  e.外存储器：即辅存，为计算机配备的存储容量很大的辅助存储器

  磁盘存储器、光盘存储器等，主要特点是存储容量大，价格便宜、工作速度慢

• 输入/输出设备
  功能：执行输入/输出信息的转换
  输入时：原始信息 -> 二进制代码进入主机
  输出时：处理结果（二进制代码）->用户能够直接感知的形式（字符、图像、声音）输出给用户

• 总线（Bus）
  能为多个部件分时共享的一组信息传送通路
  在同一时刻只能有一个部件占用总线接受发送信息
  根据传送信息的不同分为三类：

  1. 传送各种数据信息的数据总线（Data Bus）
  2. 传送各种地址信息的地址总线 （Address Bus）
  3. 传送各种控制信息的控制总线（Control Bus）

• 接口
  外设种类数据多变，为将总线与各类外设连接，在两者之间设置一些部件，具有缓冲、转换、连接等功能，这些部件就是接口
  如：

2. 计算机硬件的典型架构

• 微型计算机：南-北桥架构
  
  核心：南北桥芯片组，北桥芯片组与南桥芯片组通过DMI总线相连，北桥芯片组与CPU通过FSB总线相连，主存通过接口与北桥芯片组相连，BIOS通过接口与南桥芯片组相连，北桥芯片组与视频通过PCI-E和HDMI总线相连
• 小型计算机：多处理器架构
  
  核心为芯片组C600，两个CPU通过QPI总线相连交互信息，传输信息。采用C600一个芯片组和主CPU之间通过DMI总线交互信息相互连接，通过上行SAS磁盘PCI-E接口与主CPU之间交互信息传输信息，处理器集成度很高，集成接口到PCI-E和DDRE挂接到内存和视频等上去。内存不需要通过芯片组与CPU相连，而是直接连接到集成了接口的CPU上
• 超级计算机（超算）：集群式架构
  分为：管理集群，存储集群，通信集群，计算集群
  通过通信集群可以实现这四个集群之间的信息交互和控制
  

3. 多处理机系统架构
   特点：用多处理器CPU构成
   根据处理器之间连接的紧密程度，分为：

• 紧密偶合型多机系统（CPU和CPU之间，处理器和处理器之间的偶合程度非常紧密）
• 松散偶合型多机系统（偶合程度松散）

1. 紧密偶合型多机系统
   
   信息传送通道在一个系统总线上，**在系统总线上有一个整个的系统全局M存储器，**可以挂接多个全局IO设备，在系统总线上挂接了多个CPU，每个CPU都有一个自己专用的本地存储器LM，CPU和cPU之间可以通过系统总线交互信息，每个CPU不仅可以使用自己专用的LM还可以共享全局存储器M
   特点：多个（CPU+LM）组，通过系统总线构成多机系统，其有共享的全局主存储器
2. 松散偶合型多机系统
   
   有多个处理器，每个处理器有自己的局部存储器，每个处理器有自己本地的IO设备，多个子系统之间通过消息传送系统进行信息交互
   特点：多个计算节点，由通信系统连接成的多机系统，无全局的主存储器

1.3.2 软件系统

软件类别：系统程序和应用程序
系统程序：负责系统调度管理，提供运行和开发环境、各种服务，确保系统运行良好。
应用程序：利用计算机来解决应用问题所编制的程序。

1.3.3 硬、软件系统层次结构

计算机系统是一个由多层次的软件+硬件组成的系统。

1.3.4 软件与硬件的逻辑等价性

软件特点：易于实现各种逻辑与运算功能。但是常受到速度指标和软件容量的制约
硬件特点：可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约
软件理论上可以固化或硬化为硬件，高执行速度

1.4 计算机的性能评价指标

1. 基本字长：指一次数据操作的基本位数，会影响计算的精度、指令的功能。
2. 外频：外部频率或基频，也叫系统时钟频率。
3. 常用CPU性能指标
   （1）CPU主频 = 外频*倍频系数
   （2）IPS，每秒执行的指令数
   （3）CPI，即Clock-cycle Per Instruction,每个指令执行过程中所需要时钟周期数量，时钟周期数量越多CPU就越慢
   （4）FLOPS，每秒执行浮点运算的次数，FLOPS越大，CPU浮点运算能力越强
   （5）CPU功耗：动态功耗、静态功耗
   动态功耗：P = C * U² * f，C为负载电容，U为工作电压，f为工作频率 ，负载电容和工作电压稳定，提高工作频率会增加CPU动态功耗
4. 数据传输率
   注意：计算PCI-E总线带宽时，一般要考虑编码方式、单双功能模式
   
5. 存储器容量
   内存（主存）容量：指可编址的存储单元个数（取决于地址码位数） * 存储单元的位宽（表明编址单位）
   外存（辅存）容量：指存储器能存储的最大数据量，表示为：Byte、KB、MB、GB、TB外存容量与总线地址码位数无关