写在前面

这是作者在本学期学习计算机组成原理的时候做的笔记，由于本人水平有限，对很多概念的理解比较浅显/(ㄒoㄒ)/，欢迎各位大佬多多评价，多多批评指正，希望与大家互相交流学习(●’◡’●)。

参考资料

[1] David A. Patterson《计算机组成与设计硬件/软件接口》
[2]唐朔飞《计算机组成原理》
[3]谭志虎秦磊华《计算机组成原理微课版》
[4] HUST计算机组成原理 PPT

最后更新时间

2022-10-19 20:52

文章目录

1 计算机系统概述
- 1.1 冯·诺伊曼计算机
- 1.2 计算机系统的组成
- - 1.2.1 硬件系统
  - 1.2.2 软件系统
- 1.3 计算机系统的层次结构
- 1.4 计算机性能指标与评价
- - 1.4.1 字长
  - 1.4.2 主存容量
  - 1.4.3 时钟周期
  - 1.4.4 CPI (Clock Cycles Per Instruction)
  - 1.4.5 CPU时间
  - 1.4.6 IPC (Instructions Per Cycle)
  - 1.4.7 MIPS (Million Instruction Per Second)
  - 1.4.8 MFLOPS(Million Floating-Point Operations Per Second)

1 计算机系统概述

1.1 冯·诺伊曼计算机

硬件系统

特点

指令和数据以二进制的形式存放在存储器中，存储器按地址访问。
指令由操作码和地址码构成，由指令控制计算机的运行。
由控制器来控制数据的存取和程序的执行。

工作原理

存储程序：将解题的步骤编制成程序，然后将程序和运行程序所需要的数据以二进制的形式存放到存储器中，方便执行。
程序控制：计算机中的控制器逐条取出存储器中的指令并按顺序执行，控制各功能部件进行相应操作，完成数据的加工处理。

1.2 计算机系统的组成

1.2.1 硬件系统

存储器

存储器的主要功能是存放程序和数据。
存储体由多个存储单元组成，信息按单元存放。
访问存储器时，先由地址译码器将送来的地址进行译码，找到相应的单元，再由读/写控制电路确定访问存储器的方式，再按规定的方式完成取出或存入操作。
地址总线单向，数据总线双向。

运算器

运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。
运算器通常由算术逻辑单元(ALU)和一系列寄存器组成。
ALU是具体完成算数与逻辑运算的部件；寄存器用于存放运算的操作数；累加器除存放运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果。

控制器

控制器用于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。
控制器产生控制流信息的依据：1. 存放在指令寄存器中的机器指令 2. 状态寄存器 3. 时序电路。

输入设备

即将信息输入计算机的外部设备。
常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪、模数(AD)转换器等。

输出设备

即将计算机运算结果转换成人或其他设备能接收和识别的信息形式的设备。
常用的输出设备有：打印机、显示器、数模(DA)转换器等。

1.2.2 软件系统

操作系统

操作系统是管理计算机中各种资源、自动调度用户作业、处理各种中断的软件。
常见的操作系统包括：UNIX、Windows、Linux、Android、iOS等。

程序设计语言和语言处理程序

机器语言：用二进制代码表示，计算机能直接识别，执行速度快但编程繁琐、直观性差。
汇编语言：用助记符表示的面向机器的计算机语言，在一定程度上简化了编程过程。
高级语言：面向用户的程序设计语言。分为两类：(1) 解释型语言：边解释边执行，不生成目标程序。如Basic、Java (2)编译型语言：先将源程序翻译成目标程序才能执行。如C语言。
编译器：将高级语言翻译成汇编代码。
汇编器：将汇编语言翻译成机器语言目标程序。
解释器：将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并执行，且不生成目标程序。

数据库管理系统

常见的DBMS系统包括：SQL Server、MySQL、Oracle、DB2、PostgreSQL等。

1.3 计算机系统的层次结构

1.4 计算机性能指标与评价

1.4.1 字长

计算机字长一般指CPU一次处理的数据位数。
字长一般以字节为基本单位。早期的计算机字长较短，一般为16位，现代计算机字长一般为32位或64位。
字节越长，计算精确度越高，反之计算精确度就越低。
字节越长，定点数的表示范围越大，浮点数的表示范围越大、精度越高。

1.4.2 主存容量

主存容量指主存能存储的最大信息量。
一般用M×N表示。M表示存储单元数，也称字容量，N表示每个存储单元存储的二进制位数，也称位容量。

单位	存储容量	最少地址线
KB (Kilobyte)	1024 B	10根
MB (Megabyte)	1024 KB	20根
GB (Gigabyte)	1024 MB	30根
TB (Terabyte)	1024 GB	40根
PB (Petabyte)	1024 TB	50根

1.4.3 时钟周期

也称节拍周期，是计算机中最基本、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。
时钟周期的倒数为计算机主频 f 。

1.4.4 CPI (Clock Cycles Per Instruction)

CPI是指执行每条指令所需要的平均时钟周期数(不是时间)。
不同的指令所需要的时钟周期数可能不同。
假设程序中总指令数为IC，程序执行所需时钟周期数为m，时钟周期为T，频率为f，可得：CPI=mICCPI=\frac{m}{IC}CPI=ICm
若能知道某程序中每一类指令的使用频率(PiP_iPi)每类指令的CPI(CPIiCPI_iCPIi)，每类指令的条数(ICiIC_iICi)，则程序的CPI可表示为：CPI=∑i=1n(CPIi×Pi)=∑i=1n(CPIi×ICiIC)CPI=\sum_{i=1}^{n}{(CPI_i×P_i)}=\sum_{i=1}^{n}{(CPI_i×\frac{IC_i}{IC})}CPI=i=1∑n(CPIi×Pi)=i=1∑n(CPIi×ICICi)

1.4.5 CPU时间

CPU 时间也称CPU 执行时间，指CPU真正花费在该程序上的时间，又包括执行用户程序本身所花费的CPU 时间(用户CPU 时间)和为执行程序而花费在操作系统上的时间(系统CPU 时间)。在没有特别说明的情况下，一般基于用户CPU时间进行计算机性能评价。
基于定义，某段程序的CPU时间可表示为：Tcpu=m×T=mfT_{cpu}=m×T=\frac{m}{f}Tcpu=m×T=fm
若考虑CPI，则CPU时间还可以表示为：Tcpu=CPI×IC×T=CPI×ICfT_{cpu}=CPI×IC×T=\frac{CPI×IC}{f}Tcpu=CPI×IC×T=fCPI×IC

1.4.6 IPC (Instructions Per Cycle)

IPC指每个时钟周期CPU能执行的指令条数，是CPI的倒数。
由于多核技术的发展，目前IPC的值已经可以大于1。

1.4.7 MIPS (Million Instruction Per Second)

MIPS即每秒百万条指令。
根据MIPS的定义，可用下面的公式计算MIPS：MIPS=ICTcpu×106MIPS=\frac{IC}{T_{cpu}×10^6}MIPS=Tcpu×106IC
考虑CPI后，MIPS可以表示为：MIPS=fCPI×106=IPC×f×10−6MIPS=\frac{f}{CPI×10^6}=IPC×f×10^{-6}MIPS=CPI×106f=IPC×f×10−6

1.4.8 MFLOPS(Million Floating-Point Operations Per Second)

MFLOPS指计算机每秒执行浮点数运算的次数。
根据MFLOPS的定义，可以得到：MFLOPS=ICflopsTcpu×106MFLOPS=\frac{IC_{flops}}{T_{cpu}×10^6}MFLOPS=Tcpu×106ICflops

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