计算机组成原理 第一章 计算机系统概述

第一章 计算机系统概述

发展历程

计算机	时代
第一代计算机	电子管时代
第二代计算机	晶体管时代
第三代计算机	中小规模集成电路时代
第四代计算机	超大规模集成电路时代	产生了微处理器

计算机硬件的基本组成

早期冯诺依曼机

（1）采用存储程序的概念

（2）由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备构成

（3）指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访

（4）指令和数据均用二进制代码表示

（5）指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址

（6）指令在存储器内按顺序存放

（7）早期冯诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据

存储程序：将指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，按该程序规定顺序执行其他指令，直至结束

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的

计算机功能部件

输入设备

输出设备

存储器

工作方式：按存储单元的地址进行存取（按地址存取方式，相联存储器是按内容访问）

主存储器由很多存储单元组成，每个存储单元包含若干个存储元件，每个存储单元存储一位二进制代码“0”或“1”；存储单元可存储一串二进制代码，这串代码位存储字，这串代码的位数为存储字长

主存储器由存储体、地址寄存器（MAR）、数据寄存器（MDR）、时序控制逻辑组成

\[\begin{align} &MAR=4位\rightarrow 具有2^4个存储单元\\ &MDR=16位\rightarrow 每个存储单元可存放16bit\\ &1个字（Word）=16bit[根据计算机硬件64、32、16、8bit]\\ &1个字节（Byte）=8bit\\ &1B=1个字节=8bit\\ &1b=1bit\\ \end{align} \]

存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存储1 bit（电容）

运算器

运算器核心为算数逻辑单元(ALU)，运算器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）、程序状态寄存器（PSW）等

控制器

控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）组成

一般将运算器和控制器集成在同一个芯片上成为CPU

计算机系统的多级层次结构

计算机性能指标

机器字长

计算机进行一次整数运算（定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数

数据通路带宽

数据总线一次所能并行传送的位数

主存容量

主存储器所能存储信息的最大容量

\[\begin{align} &MAR为16位，表示2^{16}=65536，即此存储体内有65536个存储单元(64K)\\ &MDR为32位，表示存储容量为64K*32位 \end{align} \]

运算速度

吞吐量

系统在单位时间内处理的请求数量

响应时间

从用户向计算机发生一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间

主频

机内主时钟的频率

CPU的时钟周期

主频的倒数

CPI(Clock cycle Per Instruction)

执行一条指令所需的时钟周期数，CPI指该程序或该机器指令集中的所有指令执行所需的平均时钟周期数

CPU执行周期

运行一个程序所花费的时间

\[\begin{align} &CPU执行时间=\frac{CPU时钟周期数}{主频}=\frac{指令条数*CPI}{主频}\\ \end{align} \]

MIPS(Million Instruction Per Second)

每秒执行多少百万条指令

\[\begin{align} &MIPS=\frac{指令条数}{执行时间*10^6}=\frac{主频}{CPI*10^6}\\ \end{align} \]

FLOPS(Floating-point Operations Per Second)

每秒执行多少次浮点运算

\[\begin{align} &FLOPS=\frac{浮点操作数次数}{执行时间}\\ \end{align} \]

*单位计量

\[\begin{align} &M=10^6\\ &G=10^9\\ &T=10^{12}\\ &P=10^{15}\\ &E=10^{18}\\ &Z=10^{21}\\ \end{align} \]

基准程序

专门用于进行性能评价的一组程序