冯诺依曼计算机的原理及层次结构

冯诺依曼计算机的工作原理	解释	重点研究
存储程序	将程序存放在计算机的存储器中	存储系统构建与快速访问
程序控制	按指令地址访问存储器并取出指令, 经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算的控制完成指令的功能。	指令系统、控制器设计等

冯诺依曼计算机的特点：

1.由计算机五大部件构成（存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备、）
2.使用二进制
3.存储程序和程序控制原理（计算机主要设计思想）

组成（软件和硬件系统）

1）硬件系统

运算器
算数运算	加、减、乘、除
逻辑运算	与、或、非、移位
基本结构	ALU、寄存器、连接通路

控制器
基本功能	产生指令执行过程所需要的所有控制信号,控制相关功能部件执行相应操作
控制信号的形式	电平信号、脉冲信号
产生控制信号的依据	指令、状态、时序
控制信号的产生方式	微程序、硬布线

存储器
功能	存储原程序、原数据、运算中间结果
组成	地址总线、存储体、数据总线
工作模式	读/写
工作原理	按地址访问，读/写数据

例题：知道容量去算地址线数量
要访问256G的主存空间，至少需要的地址线数量为【 38 】根
分析：
254G=254 * 2³⁰=2⁸ * 2³⁰=2³⁸

存储容量	所需地址线
1024 KB=2¹⁰ B	10位
1024 MB=2²⁰ B	20位
1024GB=2³⁰ B	30位
1024 TB=2⁴⁰ B	40位
1024 PB=2⁵⁰ B	50位

输入/输出
输入设备	向计算机输入数据(键盘、鼠标、网卡、扫描仪等)
输出设备	输出处理结果(显示器、声卡、网卡、打印机等)

2）软件系统

软件核心：算法
表现形式:程序和数据

软件分类	应用
系统软件	如操作系统、网络系统和编译系统
支持软件	开发工具、界面工具等
应用软件	字处理软件、游戏软件等

3）硬件与软件间关系

a.相互依存
b.逻辑等效性
c.协同发展

4）计算机层次结构

计算机系统性能评价

非时间指标

1.机器字长：只机器一次能处理的二进制位数2.总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息位数3.主存容量与存储带宽：主存容量:是指一台计算机主存所包含的存储单元总数。存储带宽:指单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）。(影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率)。

时间指标

1.主频f/时钟周期T、外频、倍频：

a.主频：指CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号振荡的速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系﹔b.时钟周期：也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作;主频和时钟周期关系：互为倒数，f越高，T就越小(f =100MHz时T=10ns , f =1GHz时T=1ns)。c.外频：指CPU(内存)与主板之间同步的时钟频率;d.倍频：CPU主频与外频之间的倍数;外频和倍频关系：主频=外频×倍频如:Pentium 4 2.4G CPU主频2400M = 133M(外频)×18(倍频)

2.CPI：执行一条指令(平均)需要的时钟周期数(即T周期的个数)

单条指令CPI、一段程序中所有指令的CPI、指令系统CPI等CPI=程序中所有指令的时钟周期数之和/程序中指令总数=2(程序中各类指令的CPI×程序中该类指令的比例)

3.IPC:每个时钟周期内行的指令条数（并行）

4.MIPS:每秒钟CPU能执行的指令总条数(单位︰百万条/秒)

5.CPU时间

执行一段程序所需的时间：(CPU时间+I/O时间＋存储访问时间+各类排队时延等)CPU时间=程序中所有指令的时钟周期数之和×T=程序中所有指令的时钟周期数之和/ f(回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理)

计算方法	公式
考虑CPI后的CPU时间

考虑MPIS后的CPU时间

计算机性能测试

目的：

a.全面了解所测试计算机的性能;b.实时掌握计算机的工作状态;c.为对比、评估、维护提供依据;d.……

测试基本原理：

a计算机系统中配置了大量的传感器和寄存器，系统运行的相关
参数保存在对应的寄存器中;b.测试程序通过读取相应寄存器的值得到系统运行的状况;c.通过图形/数据方式显示获取的状态数值;

测试工具：
CPU测试工具	CPUmark：综合CPU测试，包括系统存储，浮点运算和逻辑运算; SysID：测试CPU电压，运行频率，L1 .L2 Cache以及各项技术资料;Hot CPU Tester: Hot CPU Tester:可测试机器稳定性，尤其是超频后的稳定性，找出CPU的最高超频点或缺陷，还可检测CPU的详细性能指标并给出量化的分数值。
显卡测试工具	3DMark:除衡量显卡性能外，已渐渐转变成—款衡量整机性能的软件 N-Bench2:重点测试CPU以及系统图形性能; FurMark :通过皮毛渲染算法来衡量显卡的性能及其稳定性，提供了全屏/窗口、预定分辨率、基于时间或帧的测试、多种多重采样反锯齿.竞赛等多种模式。
硬盘测试工具	Hard Disk Speed:硬盘测速软件﹔ Disk Benchmark:通过对不同大小的数据块对磁盘读/写速度的影响检测硬盘、U盘、存储卡及其它可移动磁盘的读/写入速率﹔ iometer :可被配置为基准测试程序的磁盘和网络I/O的负载，可测试兹盘和网络控制器的性能、总线带宽和时延等参数; HDD Temperature Pro:硬盘温度探测软件。
内存测试工具	CTSPD :选择主板厂商及型号后可详细测试内存的信息； Memory Speed:通过读写不同大小的块状数据来测试内存的性能; Memory Transfer Timing Utility :通过对源文件和目标文件进行校正和非校正复制，测试内存的读、写速率;
其他综合测试工具	鲁大师:国内最大的免费系统工具软件，拥有硬件检测、硬件测试、系统优化、节能降温、驱动安装等功能。
其它测试工具	http://www.newsmth.net/nForum/#!article/CompMarket/523

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