一、计算机系统概述大纲
二、冯诺依曼机
三、系统的硬件组成
3.1 中央处理器
3.2 存储器
存储器 – 内存
存储器 – 外存
3.3 外设 – I/O 设备
3.4 总线
四、计算机系统抽象层
4.1 抽象层结构
层次划分：计算机系统分为软件层和硬件层，通过向上层提供抽象接口隐藏底层实现细节
转换过程：解决实际问题的过程就是不同抽象层之间的转换，从应用问题逐步转换为器件操作
软件层组成：包含应用（问题）、算法、编程语言、操作系统/虚拟机
硬件层组成：包含ISA、微体系结构、功能部件/RTL、电路、器件
4.2 语言与翻译程序
4.3 计算机系统的不同用户
- 最终用户：
- 使用应用程序完成特定任务
- 只能感知人机交互界面和应用程序
- 系统管理员：
- 配置管理系统
- 可感知部分硬件层面和管理程序
- 应用程序员：
- 使用高级语言开发应用
- 可感知硬件和操作系统API
- 系统程序员：
- 开发系统软件
- 熟悉底层硬件和指令系统，可能直接使用汇编语言
4.4 透明的概念
五、从源文件到可执行文件
- 从源文件到可执行文件
- 预处理阶段：
- 处理#开头的命令（如#include）
- 输出扩展名为.i的修改后源文件
- 编译阶段：
- 将文本文件翻译为汇编语言文件（.s）
- 汇编阶段：
- 将汇编语言翻译为机器语言
- 生成可重定位目标文件（.o）
- 链接阶段：
- 合并目标文件和库函数
- 生成最终可执行文件
- 预处理阶段：
- 乐高类比：
- 设计阶段：编写源代码（规划城堡图纸）
- 构建阶段：编译生成独立模块（拼装各部分组件）
- 可重定位：模块位置可自由调整（塔楼可任意放置）
- 链接阶段：组装所有部件（合并预制模块和自定义模块）
六、计算机的性能指标
吞吐率定义: 单位时间内完成的工作量，在计算机网络中常被称为带宽。
响应时间定义: 作业从提交到完成所用的时间，也称为执行时间或等待时间。
- CPU时间: 包含用户CPU时间（真正运行程序代码的时间）和系统CPU时间（操作系统调度程序的时间）
- 其他时间: 包括等待I/O设备（如打印机）或CPU执行其他程序的时间
关键区别: 用户感知的总执行时间通常比程序实际执行代码的时间长，因为现代计算机系统采用多任务处理机制。
时钟周期 – 重点
- 时钟周期
- 定义: CPU主脉冲信号的宽度，控制计算机执行指令的各个步骤的同步。
- 类比理解: 类似于节拍器，每个”拍子”的持续时间就是时钟周期。
- 重要性: 是计算CPU时间的基础概念，考试重点内容。
- 时钟频率
- 定义: CPU主脉冲信号的时钟频率，即CPU主频。
- 计算公式: 主频 =1/时钟周期，两者呈倒数关系。
- 性能影响: 主频越快的计算机，完成指令的速度通常也越快。
- CPI
- 全称: Clock Cycles Per Instruction（每条指令的时钟周期数）
- 定义: 执行一条指令需要的时钟周期数，注意是周期数而非时间。
- 程序CPI: 程序由多条指令组成，其CPI是指令CPI的平均值。
- 计算示例:
- 指令”蹲坑”分为3步：走进厕所(2周期)、酝酿(6周期)、干正事(10周期)
- 该指令CPI =2+6+10=18
指令的CPU执行时间计算
程序的CPU执行时间计算
关键点: 计算程序时间时，CPI需取平均值并乘以指令条数
计算MIPS
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