第 1 章 计算机系统概述

本章介绍计算机系统的基本组成、层次结构、程序从源代码到可执行文件的生成流程，以及常见性能指标

一个完整的计算机系统由软件和硬件组成

计算机系统的基本组成

冯.诺依曼结构的基本思想

• 采用“存储程序”的工作方式
• 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 个基本部件组成

现代计算机结构

• 中央处理器
  • 数据通路
    • 算术逻辑单元（ALU）
    • 通用寄存器组
  • 控制器
• 存储器
• 外部设备和设备控制器
• 总线

计算机系统层次结构

层次结构包含

• 算法和程序
• 编程语言
• 语言处理系统
• 操作系统
• 指令集体系结构
• 微体系结构

编程语言

• 高级语言
• 低级语言
• 机器级语言
  • 机器语言（计算机唯一能直接识别和执行的语言）
  • 汇编语言

翻译程序

• 汇编程序（汇编语言 -> 机器语言）
• 解释程序（高级语言 -> 逐条 -> 机器语言）
• 编译程序（高级语言 -> 整体 -> 机器语言）

程序开发与执行过程

从源程序到可执行程序

1. 预处理阶段

   预处理器 cpp 处理源文件中以 # 开头的预处理指令，生成预处理后的 C 文件 hello.i

2. 编译阶段

   编译器 ccl 将 hello.i 翻译为汇编程序 hello.s

3. 汇编阶段

   汇编器 as 将 hello.s 转化为机器语言指令，生成可重定位目标文件 hello.o

4. 链接阶段

   连接器 ld 将 hello.o 与标准 C 库中所需的函数（例如 printf）进行链接，解析外部符号引用，最终生成完整的可执行文件 hello，并保存至磁盘

计算机主要性能指标

复习这部分时，优先区分三组概念：吞吐率和响应时间、时钟周期和时钟频率、CPI 和 IPC

基本指标

• 吞吐率：在单位时间内所完成的工作量
• 响应时间：指从作业提交开始到作业完成所用的时间
• 时钟周期：机器内部主时钟脉冲的宽度
• 时钟频率：机器内部主时钟的频率，即时钟周期的倒数
• CPI：执行一条指令所需的时钟周期数
• MIPS：每秒执行多少百万条指令

计算能力相关指标

• MFLOPS：百万次浮点运算/秒
• GFLOPS：十亿次浮点运算/秒
• TFLOPS：万亿次浮点运算/秒
• PFLOPS：千万亿次浮点运算/秒
• EFLOPS：百亿亿次浮点运算/秒
• ZFLOPS：十万亿亿次浮点运算/秒
• 1s = 1000 ms = 1000000 μs = 1000000000 ns

其他指标

• IPS：每秒执行多少条指令
• IPC：每个时钟周期运行多少条指令
• 平均指令周期：CPU 执行一条指令平均需要的时间