注意：
本文更偏向於考試複習，如果初學，建議配合教材，謝謝！
概述
計算機系統層次結構
- 計算機系統的基本組成
- 計算機硬體的基本組成
- 計算機軟體和硬體的關係
- 計算機系統的工作原理
計算機效能指標
吞吐量；響應時間；CPU時鐘週期；主頻；CPI；CPU執行時間；MIPS；MFLOPS
計算機系統層次結構
計算機系統的組成
- 硬體系統和軟體系統共同構成了一個完整的計算機系統。硬體是指有形的物理裝置，是計算機系統中實際物理裝置的總稱。軟體是指在硬體上執行的程式和相關的資料及文件。
- 對某一功能來說，若既可以用軟體實現，又可以用硬體實現，則稱為軟/硬體在邏輯功能上是等價的。
- 一個功能若使用較為頻繁且用硬體實現的成本較為理想，則使用硬體解決可以提高效率。
馮·諾伊曼機
“儲存程式”的思想奠定了現代計算機的基本結構，以此概念為基礎的各類計算機統稱馮·諾伊曼機，其特點如下：
- 採用“儲存程式”的工作方式。
- 計算機硬體系統由運算器、儲存器、控制器、輸入裝置和輸出裝置5大部件組成。
- 指令和資料以同等地位儲存在儲存器中，形式上沒有區別，但計算機應能區分它們。
- 指令和資料均用二進位制程式碼表示。
- 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼指出操作的型別，地址碼指出運算元的地址。
計算機的功能部件
輸入裝置/輸出裝置：略
儲存器
- 儲存器分為主儲存器（也稱主存）和輔助儲存器（也稱外存）。
- CPU能夠直接訪問的儲存器是主儲存器。
- 輔助儲存器用於幫助主儲存器儲存更多的資訊。
- 儲存器的工作方式是按儲存單元的地址進行存取，這種存取方式稱為按地址存取方式。
儲存器組成
- 儲存體：存放二進位制資訊
- 儲存器地址暫存器（MAR）：存放訪存地址。
- 儲存器資料暫存器（MDR）：用於暫存要從儲存器中讀或寫的資訊。
- 時序控制邏輯：產生儲存器操作所需的時序訊號。
MAR & MDR
- MAR用於定址，其位數反映最多可定址的儲存單元個數。MAR長度與PC長度相等。
- MDR的位數通常等於儲存字長。
- 現代計算機中，MAR、MDR和Cache（快取記憶體）均存在於CPU中，而非儲存器。
運算器
- 運算器是計算機的執行部件，用於進行算術運算和邏輯運算。
- 算術運算：加、減、乘、除等。
- 邏輯運算：與、或、非、異或、比較、移位等。
- 核心：算術邏輯單元（ALU）
- 運算器包含若干通用暫存器，用於暫存運算元和中間結果，如：累加器（ACC）、乘商暫存器（MQ）、運算元暫存器（X）、變址暫存器（IX）、基址暫存器（BR）等，其中前三個暫存器是必須具備的。
- 程式狀態暫存器（PSW），也稱標誌暫存器，用於存放ALU運算得到的一些標誌資訊或處理機的狀態資訊。
控制器
- 控制器由程式計數器（PC）、指令暫存器（IR）和控制單元（CU）組成。
- 程式計數器(PC)：存放當前欲執行的指令的地址，可自動形成下一條指令的地址，它與貯存期的MAR之間有一條直接通路。
- 指令暫存器(IR)：存放當前的指令，其內容來源於主儲存器的MDR。指令中的操作碼OP(IR)送至CU，用以分析指令併發出各種微操作命令序列；地址碼Ad(IR)送至MAR，用以取運算元。
- 一般將運算器和控制器整合到一個晶片上，稱為中央處理器（CPU）。CPU和主儲存器共同構成主機，除主機之外的其它硬體裝置統稱外部裝置，簡稱外設。
計算機軟體
系統軟體和應用軟體
1.軟體根據功能分類，可分為系統軟體和應用軟體。
2. 系統軟體：保證計算機系統高效、正確執行的基礎軟體。主要有：作業系統（OS）、資料庫管理系統（DBMS）等。
3. 應用軟體：為解決某個應用領域中的各類問題而編制的程式。
語言
- 機器語言：也稱二級制程式碼語言。是計算機唯一可以識別和執行的語言。
- 組合語言：用英文單詞或其縮寫代替二進位制的指令的指令程式碼。
- 高階語言：方便程式設計人員寫出解決問題的處理方案和解題過程的程式。
翻譯程式
- 彙編程式（彙編器）：將彙編程式翻譯為機器語言程式。
- 解釋程式（直譯器）：將源程式中的語句按執行順序逐條翻譯成機器指令並立即執行。
- 編譯程式（編譯器）：將高階語言程式翻譯成組合語言或機器語言程式。
速度上：編譯>解釋。Python採用解釋，而C++採用編譯。
計算機的層次結構
- ⑤高階語言層->④組合語言層->③作業系統層->②傳統機器語言層->①微程式機器層。
- 沒有配備軟體的純硬體系統稱為裸機；3~5層稱為虛擬機器。
- 軟體和硬體之間的介面是指令集體系結構（ISA），其定義了一臺計算機可以執行的所有指令。ISA是軟體能感知到的部分，也稱軟體可見部分。
計算機系統的工作原理
“儲存程式”工作方式
“儲存程式”工作方式規定：程式執行前，需要將程式所含的指令和資料送入主儲存器，一旦程式被啟動執行，就無須操作人員的干預，自動逐條完成指令的取出和執行任務。
從源程式到可執行程式
- 預處理階段：前處理器(cpp)對源程式中以字元#開頭的命令進行處理。hello.c -> hello.i
- 編譯階段：編譯器(ccl)對預處理後的源程式進行編譯，生成組合語言源程式hello.s
- 彙編階段：彙編器(as)將其翻譯成機器語言指令，並打包成可重定位目標檔案hello.o
- 連結階段：連結器(ld)將多個可重定位目標檔案和標準庫函式合併為一個可執行目標檔案，簡稱可執行檔案。
hello.c 源程式 -> hello.i 預處理後的源程式 -> hello.s 彙編程式 -> hello.o 可重定位目標程式 -> hello 可執行目標程式
指令執行過程
-
取指令：PC->MAR->M->MDR->IR
根據PC取指令到IR。將PC的內容送至MAR，MAR中的內容送至地址線，同時控制器將訊號送至I/O訊號線，主儲存器根據地址線上的地址讀訊號，從指定儲存單元讀出指令，送至資料線上，MDR從資料線接受指令資訊，送至IR。 -
分析指令：OP(IR)->CU
指令譯碼並送出控制訊號。控制器根據IR中指令的操作碼，生成相應的控制訊號，送到不同的執行部件。OP(IR)為取數指令，此時控制訊號送至匯流排的控制線上。 -
執行指令：Ad(IR)->MAR->M->MDR->ACC
取數操作：將IR中的指令的地址碼送至MAR，MAR中的內容送至地址線，同時控制器將讀訊號送至I/O訊號線，從主儲存器中讀出運算元，並透過資料線送至MDR，再送到ACC中。 -
每取完一條指令，計算下條指令位置，即：(PC)+1->PC
計算機的主要效能指標
機器字長
機器字長，簡稱字長，指計算機進行一次整數運算（即定點整數運算）所能處理的二級制資料的位數，通常與CPU的暫存器位數、ALU有關。字長一般等於通用暫存器的位數或ALU的寬度，字長越長，數的表示範圍越大，計算精度越高。
資料通路頻寬
指資料匯流排一次所能並行傳送資訊的位數。指代外部資料匯流排的寬度，與CPU內部資料匯流排寬度（內部暫存器大小）可能不同。
主存容量
主儲存器所能儲存資訊的最大容量，通常以位元組來衡量。也可用字數×字長（512K×16位）來表示儲存容量。MAR的位數反映了儲存單元的個數，MDR的位數反映了儲存單元的字長。
運算速度
- 吞吐量：指系統在單位時間內處理請求的數量。
- 響應時間：從使用者向計算機傳送一個請求，到系統對該請求做出響應並獲得所需結果的等待時間。
- CPU時鐘週期：機器內部主時鐘脈衝訊號的寬度，是CPU工作的最小時間單位。
- 主頻（CPU時脈頻率）：機器內部主時鐘的頻率，即時鐘週期的倒數。
- CPI：執行一條指令所需的時鐘週期數。注意CPI是一個平均數。
- IPS：每秒執行多少條指令，IPS=主頻/CPI。
- CPU執行時間：執行一個程式所花費的時間。
- MIPS：每秒執行多少百萬條指令。
- FLOPS：每秒執行多少次浮點運算。
其它術語
- 基準程式：專門用來進行效能評價的一組程式，能夠很好地反應機器在執行實際負載時的效能。
- 系列機：具有相同的體系結構，使用相同基本指令系統的多個不同型號的計算機。
- 相容：指軟體和硬體的通用性。
- 韌體：將程式固化在ROM中組成的部件稱為韌體。