主要内容

第1章(计算机系统概述)主要介绍冯诺依曼结构的特点、计算机硬件的基本组成、计算机软件设计和执行过程、计算机系统层次结构以及系统性能评价方法。

第2章(数据的机器级表示)主要介绍无符号数和带符号整数的表示、 IEEE 754 浮点数标准、西文字符和汉字的编码表示、大端小端存放顺序及对齐方式以及常用检纠错码表示与使用方法等。

计算机系统概述

冯诺依曼体系

基本思想：

  • 采用“存储程序”工作方式
    • 存储程序：任何要计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。
  • 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
  • 计算机内部以二进制形式表示指令和数据；每条指令由操作码和地址码组成，操作码指出数据类型，地址码指出操作数的地址。
  • 5个基本部件的功能：
    • 存储器：不仅能存储数据，而且也能存放指令，形式上数据和指令没有区别，但计算机能区分它们
    • 控制器：能自动执行指令
    • 运算器：能进行加减乘除四种基本运算，也能进行一些逻辑运算和附加运算
    • 输入输出设备：操作人员可通过其与主机进行通信

计算机硬件基本组成

硬件包括：中央处理器、存储器、I/O控制器、外部设备、各类总线

  • 中央处理器：CPU=控制器+运算器。
  • 存储器：存储器=内存+外存，内存=主存储器+高速缓存，外存=辅助存储器+海量后备存储器，目前主要的辅助存储器是磁盘存储器和固态硬盘
  • 外部设备：称I/O设备，也称外设。外设=机械部分+电子部分，机械部分是外部设备本身，电子设备是控制外部设备的I/O控制器或I/O适配器。例如：键盘接口、打印机、显卡、网卡都属于I/O控制器
  • 总线：传输信息的介质，用于在部件之间传输信息，在CPU和I/O模块中都内含相应的存储部件，即缓存器

计算机软件设计和执行过程

  • 软件=系统软件+应用软件
    • 系统软件：介于计算机硬件和应用程序之间，包括操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、各类实用程序。
      • 操作系统：如Windows，管理整个计算机系统的各种资源，包括对它们进行调度、管理、监视和服务
      • 语言处理系统：如C语言编译器，主演用于提供一个用高级语言编程的环境，包括源程序的编辑、翻译、调试、链接、装入运行等
      • 数据库管理系统：如Oracle，提供计算机用户和硬件之间的人机交互页面，并提供对应用软件的支持
      • 各类使用程序：如磁盘碎片整理程序、备份程序
    • 应用软件：为数据处理、科学计算、事务管理等应用所编写的各类程序。如qq，网易云音乐，微信，微博等。

计算机层次结构

ISA：指令集体系结构，是软件和硬件之间借口的一个完整定义。所有软件功能都建立于ISA之上。

  • 硬件设计者角度：指令系统为CPU提供功能需求，要求易于硬件设计
  • 系统程序员角度：通过指令系统来使用硬件，要求易于编写编译器

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计算机性能评价

执行时间=CPU时间+其他时间

CPU时间=用户CPU时间+系统CPU时间

计算机系统的性能评价主要考虑的CPU性能，即用户CPU时间。

课堂补充

兼容机

指软件的兼容，特征：相同或相似的指令集/操作系统

单位换算

1KHZ=1000HZ

1MHZ=10^6HZ

1GHZ=1000MHZ=10^9HZ

性价比R

R=性能/价格=1/时间*价格

MIPS、MFLOPS、GELOPS

MIPS：million instruction per second，每秒执行百万条指令，表示定点执行速度

MFLOPS：浮点操作速度

GFLOPS：G=10^9M

数据的机器级表示

无符号数和带符号整数的表示

无符号整数：Unsigned integer,即正整数或非负整数。

带符号整数：signed integer，即用一个二进位来表示符号。

  • 8位无符号整数最大是255（1111 1111），n位无符号整数可表示的范围0~（2^n-1)
  • 8位带符号整数最大为127（0111 1111），n位带符号整数可表示的范围-2^n-1~ 2^(n-1)-1

求负数的补码

IEEE 754 浮点数标准

例如，-12.75用IEEE754表示

整数部分12，二进制表示为1100B

小数部分.75,二进制表示为.11B

因此1100.11B规格化为1.10011*2^3

阶码e=3+127=2+128=1000 0010B

f=0.10011，所以用IEEE754表示为

1 1000 0010 1001 1000 0000 0000 0000 0000 0

西文字符和汉字的编码

西文字符的编码

  • 表示（常用编码为7位ASCII码）
    • 十进制数字：0/1/2…/9
    • 英文字母：A/B/…/Z/a/b/…/z
    • 专用符号：+/-/%/*/&/……
    • 控制字符（不可打印或显示）

汉字的编码

  • 编码形式

    • 有以下几种汉字代码：
      输入码：对汉字用相应按键进行编码表示，用于输入
      内码：用于在系统中进行存储、查找、传送等处理
      字模点阵或轮廓描述: 描述汉字字模点阵或轮廓，用于显示/打印

      • 输入码：向计算机输入汉字的方式

        1、 手写汉字联机识别输入，或者是印刷汉字扫描输入后自动识别，这两种方法现均已达到实用水平。
        2、 用语音输入汉字，虽然简单易操作，但离实用阶段还相差很远。
        3、 利用英文键盘输入汉字：每个汉字用一个或几个键表示，这种对每个汉字用相应按键进行的编码称为汉字“输入码”，又称外码。输入码的码元为按键。是最简便、最广泛的汉字输入方法。
        常用的方法有：搜狗拼音、五笔字型、智能ABC、微软拼音等

      • 内码：西文字符常用的内码就是ASCII码。至少需要2个字节才能表示一个汉字内码。

      • 字模点阵或轮廓描述：为便于打印、显示汉字，汉字字形必须预先存在机内

        • 字库 (font)：所有汉字形状的描述信息集合
          不同字体 (如宋体、仿宋、楷体、黑体等) 对应不同字库
          从字库中找到字形描述信息，然后送设备输出

大端小端存放顺序及对齐方式

大端小端

对齐方式

要求数据的地址是相应的边界地址

若不按照对齐方式，虽节省了空间，但增加了访存次数！

常用检纠错码表示与使用方法

常用的数据校验码有：奇偶校验码、海明校验码、循环冗余校验码。

补充

BCD码表示十进制数

  • 十进制有权码
    • 每个十进制数位的4个二进制位（称为基2码）都有一个确定的权。8421码是最常用的十进制有权码。也称自然BCD（NBCD）码
  • 十进制无权码
    • 每个十进制数位的4个基2码没有确定的权。在无权码方案中，用的较多的是余3码和格雷码。

例如：+236=(1100 0010 0011 0110)8421

数据的宽度和存储

比特：bit，是计算机中处理、存储、传输信息的最小单位

字节：byte，也称位组，是二进制信息的计量单位

  • 现代计算机中，存储器按字节编址
  • 字节是最小可寻址单位

字：word，与字长不同，区别如下

字与字长的区别

  • “字长”指定点运算数据通路的宽度

    • 数据通路指CPU内部数据流经的路径以及路径上的部件，主要是CPU内部进行数据运算、存储和传送的部件，这些部件的宽度基本上要一致，才能相互匹配。因此，”字长”等于CPU内部总线的宽度、运算器的位数、通用寄存器的宽度等。

  • “字”表示被处理信息的单位，用来度量数据类型的宽度。

数据量的度量单位

要区分容量单位和带宽单位！

容量单位

“千字节”(KB)，1KB=210字节=1024B
“兆字节”(MB)，1MB=220字节=1024KB
“千兆字节”(GB)，1GB=230字节=1024MB
“兆兆字节”(TB)，1TB=240字节=1024GB

通信中的带宽单位

“千比特/秒”(kb/s)，1kbps=103 b/s=1000 bps
“兆比特/秒”(Mb/s)，1Mbps=106 b/s =1000 kbps
“千兆比特/秒”(Gb/s)，1Gbps=109 b/s =1000 Mbps
“兆兆比特/秒”(Tb/s)，1Tbps=1012 b/s =1000 Gbps

注意！

如果把b换成B，则表示字节而不是比特（位）
例如，10MBps表示 10兆字节/秒