计算机硬件系统的组织
如何把五大基本部件互连起来构成计算机的硬件系统，是计算机硬件系统的组织问题。
在计算机的五大部件之间，有大量的信息需要传送，如何实现信息的传送，取决于数据通路的逻辑结构。
早期的计算机往往在各部件之间直接连接传送线路，数据通路复杂、零乱，控制不便，而且没有多少扩展余地。
点对点连线的计算机组织
总线结构
现在的计算机普遍采用总线结构。
1.总线：
一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。
总线规定了计算机组件间规范化的交换数据（data）的方式，以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。
2. 总线的使用规定
⑴ 共享总线的各个部件必须分时使用总线发送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。
⑵ 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。
总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，且总线上的各部件可以共享总线信息。
3.总线的分类
按总线的任务分
(1) CPU内部总线
这是一级数据线，用于连接CPU内部各寄存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统中，CPU内部总线也就是芯片内的总线。
(2) 部件内总线
在计算机中各功能模块插件上芯片之间的总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总线。
(3)系统总线
连接系统内各大部件如CPU、主存、I/O设备等的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、数据总线、控制/状态总线。
在微机系统中总线常见的系统总线有：PC总线、AT总线（ISA总线）、PCI总线等
(4) 外总线
计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已有的标准。如RS－232串行总线标准。
按总线上信息传送的方向分
单向总线
连接在总线上的部件只能有选择地将信息进行单向传送。如地址总线。
双向总线
连接在总线上的任何部件既能通过总线发送信息，也能通过总线接受信息。如数据总线。
按总线上信息传送的位数分
并行总线
一次可以传送多位二进制信息的总线。 如CPU内部的数据总线、地址总线。
串行总线
一次只能传送一位二进制信息的总线。如USB总线。
采用总线结构的好处：
可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部件的负载。可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。
4. 总线的连接方式
单机系统中采用的总线类型
(1) 单总线结构
用一组系统总线把CPU、主存及各种I/O接口连接起来。
单总线结构的优点
总线上各设备之间（CPU与MEM、MEM与I/O、CPU与I/O、I/O与I/O）都通过单总线交换信息。
可将I/O与存储器同等对待，统一进行编址。
控制简单，易于扩充。
单总线结构的缺点
同一时刻只能在一对设备之间或部件之间传送信息，因此系统速度受到限制。
把主存与I/O设备同等对待，降低了主存的地位。因为主存与CPU间的信息传送要比CPU与I/O设备间的信息传送频繁很多。
(2) 双总线结构
① 以CPU为中心的双总线结构
采用以CPU为中心的存储器总线和I/O总线，分别进行数据传送。
以CPU为中心的双总线，结构简单，控制容易。但由于I/O设备与主存间的信息传送都必须通过CPU进行，使CPU要花费大量时间进行信息的输入输出处理，从而降低了CPU的工作效率。所以只在早期的机器中使用。
面向主存的双总线结构
在单总线的基础上，在CPU与主存之间增加了一组存储器总线，CPU访存直接通过存储器总线实现，
面向主存的双总线结构保持了单总线结构的优点，同时由于通过存储器总线访存，提高了CPU的访存速度，也减轻了系统总线的负担。
面向存储器的双总线结构
三总线结构
在面向主存的双总线结构的基础上，增加I/O总线，使得CPU与主存、主存与I/O之间均具备独立的信息传输通路。
常见的三总线结构
多总线结构
总线结构主要用于微、小型计算机中。对于中型、大型计算机系统的构成，主要着重于系统功能的扩充和效率的提高。为了增强系统功能，必然要配置更多的硬件资源和软件资源。
由于I/O设备的增多使I/O处理成为又一个十分突出的问题。
许多I/O设备由于具有机械动作，其工作速度远比CPU的速度低，因此，如何解决速度匹配问题，使CPU与I/O操作尽可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成为系统结构中的一个关键问题，为此提出了“通道”的概念。
5.通道
通道是一种具有处理机功能的专门用来管理I/O操作的控制部件。
具有通道的计算机系统通常采用主机、通道、I/O设备控制器、I/O设备四级连接方式。
通道结构具有较大的变化和扩展余地，
对较小的系统，可将设备控制器与I/O设备合并在一起，将通道与CPU合并在一起。
对较大的系统，则可单独设置通道。
对更大的系统，可将通道发展为专门的I/O处理机，甚至更强功能的前端机。
计算机的特点和性能指标
- 能自动连续地工作
- 运算速度快
- 运算精度高
- 具有很强的存储能力和逻辑判断能力
- 通用性强
1.基本字长
基本字长是指参与运算的数的基本位数。
字长通常是硬件组织的基本单位，它决定着寄存器、ALU、数据总线的位数，因而直接影响着系统的硬件成本。
字长标志着计算机系统的运算精度。
例：要保证 i 位十进制数的精度，至少要采用3.3倍 i 位二进制数的位数，否则精度难以满足要求。 证：当 i 位十进制数与 j 位二进制数比较时，如果要求 10i ＝ 2j 则必须满足：
为了适应不同应用需要，兼顾精度和硬件成本，许多计算机都允许变字长运算，例如双字长运算。
常用的字长单位是字节（8位二进制数位）。字长单位通常是字节的倍数。
2. 主存容量
主存储器所能存储的最大信息量称为主存容量。
CPU需要执行的程序和要处理的数据都存放在主存中。
主存容量大，就可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机的处理能力在很大程度上取决于主存容量的大小。
通常以字节数表示主存容量，如4MB，表示可存储4M(1M＝1024K)个字节。
1K＝2 ^ 10＝1024
1M＝2 ^ 20＝2 ^10K ＝1048576 （兆）
1G＝2 ^ 30＝2 ^ 10M＝2 ^ 20K ＝1073741824 （吉）
1T＝2 ^ 40 ＝2 ^ 10G ＝2 ^ 20M ＝2 ^ 30K ＝1099511627776 （太）
1P＝2 ^ 50 ＝ 1125899906842624（皮）
3.运算速度
由于计算机执行不同的操作所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。
① 以加法指令的执行时间为标准来计算。例如DJSl30机一次加法时间为2μs，所以运算速度为50万次/s。
② 根据不同指令在程序中出现的频度，乘上不同的系数，求得系统平均值，得到平均运算速度。
③ 具体指明每条指令的执行时间。
大、中型机常使用每秒平均执行的指令条数(IPS)作为运算速度单位。
如：MIPS(每秒百万条指令) MFLOPS(每秒百万次浮点运算)。
随着计算机性能的提高，运算速度的单位也随之增高。
MFLOPS (megaFLOPS) ： 每秒百万 (106) 次的浮点运算
GFLOPS (gigaFLOPS) ： 每秒10亿 (109) 次的浮点运算
TFLOPS (teraFLOPS) ： 每秒万亿 (1012) 次的浮点运算
PFLOPS (petaFLOPS)： 每秒千万亿 (1015) 次的浮点运算
MIPS的计算
例：设某计算机的主频为400MHz， 平均每条机器指令的执行时间为2个时钟周期。在执行一段具有129500 条机器指令的程序时，该机的MIPS值是多少？
已知：IN＝129500；
TE＝ 129500×2×1/400MHz
微型机常用主时钟频率反映速度的快慢。
如以Intel系列的CPU为核心的微机系统的时钟频率就从4.77MHz直到目前的4GHz甚至更高。
目前还没有一个确定的公式能够定量主频和实际的运算速度两者的数值关系。
因为CPU的运算速度不仅取决于主频，而且还与要看CPU的系统结构（架构）有关。
如流水线的性能指标、缓存、指令集，CPU的位数等等。
计算机系统的速度需要将主频和架构综合起来考虑。
计算机的分类与应用
1.按处理的信息形式分
电子数字计算机：
以离散量即数字量表示数据，应用算术运算法则实现运算。
电子模拟计算机：
以连续变化的量即模拟量表示数据，通过电流或电压的物理变化过程实现运算。
2.按计算机字长分
计算机字长反映了计算机处理信息并行位的能力。可分为
8位机
16位机
32位机
64位机
3.按应用范围分
专用机：效率高、速度快、适应性差
通用机：适应性强，但在速度、效率、经济性方面有所损失
4.按系统规模分
各类型机器的区别在于体积、功耗、性能、存储容量、指令系统规模、机器价格和系统简易性。
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