了解计算机系统

    计算机也就是我们所说的电脑和我们生活息息相关，但关于他的组成结构与发展我们又知道多少呢？要知道我们是专业人士，一些必备的计算机知识是必不可少的，下面让我们一起来了解计算机系统。下图是本文的主要概况：

 

计算机系统分类

计算机分为专用计算机和通用计算机两大类：

    专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。通用计算机分为超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机、多核机六类，其结构复杂性、性能、价格依次递减。专用计算机也就是我们平时的笔记本、台式机了。

 

计算机的五代变化

 

l第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据处理

l第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业控制

l第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机

l第四代为1972—1990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机

l第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机

 

计算机硬件主要包括以下五大类：

运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。

早期将运算器和控制器合在一起称为CPU（中央处理器）。目前CPU中包含了存储器，因此称为中央处理机。存储程序按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的工作原理，也是CPU自动工作的关键。下图就是冯诺依曼型计算机和计算机组成结构图：

 

 

 

计算机的软件主要分为以下两类：

系统程序、应用程序。

系统程序主要用来简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途，它包括：

①各种服务性程序；

②语言类程序；

③操作系统；

④数据库管理系统。

应用程序是针对某一应用课题领域开发的软件。

 

多级组成的计算机系统

       

        计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。

 

五级计算机层次系统

l第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。

l第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。

l第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。

l第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。

l第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。

 

        计算机的性能指标主要是CPU性能指标。存储器性能指标和I/O吞吐率（一定时间内能处理的信息量）。所以买电脑的时候要特别注意这些地方啊，要知道我们是学电脑的，这些基础知识还是要具备的啊！

 

下面是其他的一些性能说明：

吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。

响应时间表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。

利用率表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。

处理机字长指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。

字长越长，表示计算的精度越高。

总线宽度一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

存储器容量存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。

其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。

存储器容量越大，记忆的二进制数越多。

存储器带宽存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

主频/时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。

CPU执行时间表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：

CPU执行时间 ＝ CPU时钟周期数 × CPU时钟周期长

CPI表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：

CPI ＝ 

执行某段程序所需的CPU时钟周期数/该程序包含的指令条数

MIPS表示每秒百万条指令数，用下式计算：

MIPS ＝ 

指令条数/程序执行时间 × 106

 ＝

时钟频率/CPI × 106

程序执行时间Te为：

Te ＝ 

 指令条数/MIPS × 106

MFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：

MFLOPS ＝ 

程序中的浮点操作次数/程序执行时间 × 106

MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。

MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。

TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。