什麼是計算機系統

計算機系統 = 硬體 + 軟體
硬體：計算機的實體，比如說CPU，記憶體條，硬碟等
軟體：具有各類特殊功能，而軟體又分為系統軟體和應用軟體

• 系統軟體：用來管理整個計算機系統，比如說Windows系統，Linux系統等
• 應用軟體：任務需要編織成的各種程式，比如QQ，微信，支付寶等

硬體的發展

軟體的發展

分為計算機語言的發展和作業系統的發展
計算機語言：機器語言，組合語言，高階語言
作業系統：Windows，Linux，安卓等

計算機硬體組成

計算機層次結構

馮諾依曼機特點

1. 計算機硬體由運算器、儲存器、控制器、輸入和輸出裝置5個部分組成
2. 指令和資料以同等地位儲存在儲存器，並可按地址尋訪
3. 指令是由操作碼和地址碼組成，操作碼用於表示這是一個什麼型別的操作，地址碼用於表示運算元儲存中的存放位置
4. 指令在儲存器內按順序存放（一般情況下是這樣的，但在特定條件下也可以進行設定）
5. 早期的馮諾依曼機器以運算器為中心，輸入輸出裝置通過運算器與儲存器傳送資料

• 上圖中，實線是資料線，虛線是控制線（雙向）

馮諾依曼機缺陷（早期）
在控制器的指揮下，輸入和輸出裝置輸入一些資料交給運算器，如果產生中間結果，就會傳送給儲存器，計算完成後最終結果會給輸出裝置。
可以發現這種層次結構容易收到輸入和輸出裝置的牽制，因為他們的速度相較於運算器太慢了（短板效應）

現代計算機的組織結構

為了解決I/O裝置的速度和CPU速度差異懸殊的問題，現如今的計算機則採用以儲存器為中心的計算機結構組織，這種結果使I/O操作儘可能繞過CPU，直接在I/O裝置和儲存器之間完成，以提高系統的整體執行效率

計算機硬體概述

儲存器

儲存器的基本結構

儲存器基本結構：儲存器主要分為主存（記憶體）與輔存（外存）

• 主存：CPU可以直接訪問；主要存放程式和資料；是計算機實現“儲存程式”控制的基礎；外存中資訊必須載入進主存之後CPU才可以訪問；
• 輔存：CPU不可以直接訪問

主存的結構如下所示

• 儲存體M：存放二進位制
• MAR（地址暫存器）：存放的是訪存地址（經過地址譯碼後找到所選儲存單元）
• MDR（資料暫存器）：存放的是要從儲存器中讀入或寫入的資訊

儲存器相關基本定義

儲存器相關基本定義：目前我們採用的半導體器件來承擔儲存任務，一個半導體觸發器由於有0和1兩個狀態，就可以記憶一個二進位制程式碼，關於儲存器有如下五個非常重要的概念。

• 儲存元：也可稱為儲存元件和儲存基元，用來存放一位二進位制資訊
• 儲存單元：由若干個儲存元組成，能存放多位二進位制資訊
• 儲存體：許多儲存單元可組成儲存體，也即儲存矩陣
• 儲存字：每個儲存單元中二進位制程式碼的組合即為儲存字，可代表數值、指令和地址等
• 儲存字長：每個儲存單元中二進位制程式碼的位數就是儲存字長

上述概念可以這樣記憶：主儲存器由許多儲存單元組成，每個儲存單元包含多個儲存元，每個儲存元儲存1位二進位制程式碼0或1，故儲存單元可儲存一串二進位制程式碼，稱這串程式碼為儲存字，而這串程式碼的位數稱為儲存字長，儲存字長一般是一個位元組（8位）或位元組的偶數倍。
儲存器相關小考點

• 資料在儲存體中是按照地址儲存的，每個地址對應一個儲存單元
• 儲存單元數目=2 M A R 位數 2^{MAR位數}2
• MAR位數（如果MAR為10位，則儲存單元數目為2 10 = 1024 2^{10}=10242 10 =1024）。它用於定址，其長度和PC（程式計數器）長度一致
• MDR的位數表示儲存字長（例如MDR為16，表示儲存字長為16，也表示1個字(word)=16bit）
• 注意區分字（word）和位元組（Byte），1個位元組等於8個bit，而1個字的大小取決於機器
• 1B=1個位元組，1b=1個bit

運算器

運算器：是計算機的執行部件，主要進行

• 算數運算：比如加減乘除
• 邏輯運算：比如與、或、非、異或、比較等等

運算器基本結構

運算器基本結構：由以下四部分構成

• ALU（算數邏輯單元）：運算器中造價最為高昂的部分，本質是一對電路
• ACC（累加器）：用於存放運算元，或運算結果
• MQ（乘商暫存器）：在乘除運算式，用於存放運算元或運算結果
• X（運算元暫存器）：用於存放運算元

運算器過程虛擬碼描述（瞭解）

設M為主存中的某一個儲存單元，(M)表示取M中的資料，->表示將內容送入暫存器

加法實現：假設ACC中已經存在一個數，那麼首先取M的內容送入運算元暫存器X，即(M)->X；然後兩者相加重新送入暫存器ACC中，即(ACC)+(M)->(ACC)

乘法實現：假設ACC中已經存在一個數，那麼首先取M的內容送入乘商暫存器MQ作為乘數，即(M)->MQ，再取ACC暫存器的內容放入X暫存器作為被乘數，即ACC->X，接著將ACC清零，即0->ACC，然後乘數乘以被乘數，一個送入乘積高位，一個送入乘積低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法實現：假設ACC中已經存在一個數，首先取M的內容送入X作為除數，即(M)->X，ACC中的內容作為被除數，結果一個放入MQ作為整數部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一個放入ACC作為餘數，即(ACC)%(X)->ACC

控制器

運算器：是計算機的指揮中心，由其指揮各部分自動協調地進行工作
指令：是指指揮機器工作的指示和命令，程式本質就是一系列按照一定順序排列的指令。人們用程式表達自己的意圖，控制器則通過指令指揮機器工作，指令 = 操作碼 + 地址碼

• 操作碼：指示計算機要幹什麼
• 地址碼：幹這些事情需要的原材料在哪裡

控制器基本結構

• 控制單元（CU）：分析指令、發出訊號、協調操作
• 指令暫存器（IR）：存放當前要執行的指令。注意其內容來源MDR，因為指令和資料本質是一樣的，都被存放在儲存器
• 程式計數器（PC）：存放當前要執行的指令地址。注意其與MAR直接連通，並且可以自動+1

控制器過程虛擬碼描述
完成一條指令的過程為：取指令（PC）->分析指令（IR）->執行指令（CU）

具體過程：首先取出指令，即(IR)，接著獲取指令的操作碼，即OP(IR)，然後獲取指令的地址碼，即AD(IR)，然後將操作碼送入控制單元分析，即OP(IR)->CU，操作碼錶示需要幹什麼，但是幹活需要原材料，所以再把指令的地址碼送入MAR，AD(IR)->MAR,從MAR指示的儲存體取出原材料即可。

結合前面的加法，我們可以寫出完整的加法運算的過程的： 首要取加法指令，而指令儲存在儲存體中，想要取出指令必須要知道的指令的地址，而這個地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相連，即(PC)->MAR，於是指令此時被放入了MDR中，那麼接著將指令放入IR中，即(MDR)->IR,接著取指令的操作碼送入控制單元，即OP(IR)->CU，然後再把原材料（就是一些運算元）的地址碼送入MAR，即AD(IR)->MAR。接著就可以進行加法操作了，由於上一步已經將運算元的地址碼送入了MDR中，所以現在送入運算元暫存器，即(MDR)->X，然後(ACC)+(X)->ACC，最後PC要自增，即(PC)+1->PC，表示下一條指令

計算機的工作過程

接下來以一段簡單的C語言程式碼為例展示計算機在背後所做的工作

以下程式非常簡單，聲明瞭4個變數並賦值，然後在main函式內進行運算

int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main()
{
	y=a*b+c;
}

經過編譯器編譯後，這段程式在主存中就是這樣的

下半部分是定義的變數，上半部分則是對應於高階語言對應的機器指令
為了方便演示，我們將控制器、運算器和儲存體也放在旁邊

第一組
1：程式開始執行，PC的值為0，儲存的是第一條指令的地址。然後將PC的內容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=0。也就是說控制器向儲存器指明，我接下來要訪問主存0號地址處的資料，同時告訴儲存器進行讀操作

2+3：主儲存器會根據MAR記錄的地址資訊，到儲存體中找出0號地址對應的二進位制資料，並將其放入到MDR中，此時MDR中存放了第一條指令。即M(MAR)->MDR，此時MDR=000001 0000000101

4：接著將MDR中的指令放入IR中，於是控制器就存放了當前要執行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000001 0000000101

5：這條指令的前6個位元位是操作碼，會被送入到控制單元CU中，CU分析後，得知這是一條取數命令。即OP(IR)->CU

6：取數指令會將變數a的內容放入暫存器ACC中。但是現在變數a不知道在哪裡，所以現在會把指令的地址碼送到MAR當中，即(MAR)=5

7+8：接著主儲存器根據MAR指明的地址，也就是a的地址（5），去儲存體中找出5號地址的資料，並將其放入MDR當中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000010，也即(MDR)=2

9：接著在控制單元的指揮下，MDR中的資料就被放入到了ACC中。至此第一條指令完成

10：最後PC自增1，進行下一條指令，即(PC)=1

接下來進行下一組操作

1：程式接著執行，PC的值為1，儲存的是第二條指令的地址。然後將PC的內容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=1。也就是說控制器向儲存器指明，我接下來要訪問主存1號地址處的資料，同時告訴儲存器進行讀操作

2+3：主儲存器會根據MAR記錄的地址資訊，到儲存體中找出1號地址對應的二進位制資料，並將其放入到MDR中，此時MDR中存放了第二條指令。即M(MAR)->MDR，此時MDR=000100 0000000110

4：接著將MDR中的指令放入IR中，於是控制器就存放了當前要執行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000100 0000000110

5：這條指令的前6個位元位是操作碼，會被送入到控制單元CU中，CU分析後，得知這是一條乘法命令。即OP(IR)->CU

6：接著把指令的地址碼送到MAR當中，即(MAR)=6

7+8：接著主儲存器根據MAR指明的地址，也就是b的地址（6），去儲存體中找出6號地址的資料，並將其放入MDR當中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000011，也即(MDR)=3

9：由於是乘法，所以控制單元將MDR中的內容送入到乘商暫存器MQ中，即(MDR)->MQ，此時(MQ)=0000000000000011=3

10：先把a的值放入通用暫存器X中，即(ACC)->X,(X)=2

11：CU告訴ALU，讓其進行乘法運算。即(MQ)×(X)->ACC,(ACC)=6。注意如果乘積過大，需要MQ輔助儲存，也就是最上面講到過的(X)×(MQ)->ACC//MQ

接著進行下一組操作，具體過程就不詳細演示了，步驟如下

1:PC儲存2號指令的地址，(PC)->MAR,(MAR)=2
2+3:M(MAR)->MDR,(MDR)=000011 0000000111
4:(MDR)->IR，(IR)=000011 0000000111
5:OP(IR)->CU,CU分析操作碼，得知這是加法執行
6:Ad(IR)->MAR，將指令的地址碼送入MAR,(MAR)=7
7+8:M(MAR)->MDR，(MDR)=00000000 00000001=1
9:(MDR)->x,(X)= 00000000 00000001=1
10:(ACC)+(X)->ACC,(ACC)->7，由ALU實現加法運算

接著進行下一組操作

1:(PC)->MAR,(MAR)=3
2+3:M(MAR)->MDR,MDR=000010 0000001000
4:(MDR)->IR,(IR)000010 0000001000
5:OP(IR)->CU,CU分析得知，這是存數指令
6:AD(IR)->MAR,(MAR)=8
7+8:(ACC)->MDR,MDR=7
9:(MDR)->地址為8的儲存單元，導致y=7

最後再讀取到停機指令時，計算機通過中斷機制就結束了程式的執行

計算機系統的層次結構

計算機系統的層次結構：指的是計算機系統由硬體和軟體兩大部分所構成，而如果按功能再細分，可分為7層。把計算機系統按功能分為多級層次結構，就是有利於正確理解計算機系統的工作過程，明確軟體，硬體在計算機系統中的地位和作用。

計算機效能指標

儲存器的效能指標

儲存器的效能指標主要有：儲存容量，單位成本，儲存速度
儲存容量 = 儲存字數 * 儲存字長
儲存字數：儲存器的地址空間大小
（用在儲存裡的M常表示2^20， 而在通訊中常表示10^6）
字長：一次存取操作的資料量（單位bit）

CPU的效能指標

系統整體效能指標