【计算机组成原理】冯诺伊曼结构和计算机性能指标

冯·诺伊曼结构

冯·诺依曼于1945年6月发表了著名的关于EDVAC的报告草案，报告提出的体系结构一直延续至今，即冯·诺伊曼结构。

EDVAC报告草案中提出了 “存储-程序（Stored-Program）”思想：
✓ 将事先编好的程序和原始数据送入主存中，然后启动执行
✓ 计算机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

冯·诺依曼结构：

计算机内部以二进制表示指令和数据，每条指令由操作码和地址码两部分组成，程序由一串指令组成，通常指令是按顺序存放的，并且按顺序执行。
早期的冯·诺伊曼结构以运算器为中心，输入、输出设备通过运算器与存储器传送数据。

计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成：

存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令，可按地址访问
控制器应能自动执行指令
运算器应能进行加减乘除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算
操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信

计算机性能指标

基本指标：
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，包括执行等待时间和执行时间
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

计算机性能测量：
CPI(Cycles Per Instruction) 每条指令需要的时钟周期
CPI = CPU执行时间 ×时钟频率 ÷指令条数
=程序CPU时钟周期总数 ÷ 指令条数

CPU执行时间
= CPU时钟周期数 ×时钟频率
= 指令条数 ×CPI × 时钟周期
MIPS(Million Instructions Per Second) 平均每秒执行多少百万条定点指令数
MIPS = 指令条数 ÷ (程序执行时间 × 1000000)
FLOPS(Floating-point Operations Per Second) 每秒执行多少条定点指令数
FLOPS = 程序中的浮点操作次数 ÷ 程序执行时间

其它指标：
利用率 一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量
处理机字长 运算器中一次能够完成二进制数运算的位数
总线宽度 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 所有存储单元的总数目
存储器带宽 单位时间内从存储器中读取的二进制数信息量
主频/时钟周期 CPU收到时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟

例题：
程序C在机器A上运行需10s，机器A的时钟频率为400MHz。现在要设计一台机器B，
希望该程序在B上运行只需6s。机器B时钟频率的提高导致了其CPI的增加，使得程序C在
机器B上时钟周期数是在机器A上的1.2倍，此时机器B的时钟频率是多少？
解：
时钟周期数A = CPU时间A × 时钟频率A= 10sec × 400MHz = 4000M
时钟周期数B = 1.2 ×时钟周期数A = 1.2 × 4000M = 4800M
时钟频率B = 时钟周期数B ÷ CPU时间B = 4800M ÷ 6sec = 800MHz