§1 计算机系统概论

§1.1 计算机系统简介

一、计算机的软硬件概念

1. 计算机系统

1. 计算机的解题过程

二、计算机系统的层次结构

三、计算机体系结构和计算机组成

§1.2 计算机的基本组成

一、冯·诺伊曼计算机

1. 计算机由五大部件组成

2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访

3. 指令和数据用二进制表示

4. 指令由操作码和地址码组成

5. 存储程序

6. 以运算器为中心

二、计算机硬件框图

三、计算机的工作步骤

1. 存储器的基本组成

• 存储单元：存放一串二进制代码

• 存储字：存储单元中二进制代码的组合

• 存储字长：存储单元中二进制代码的位数

• 按地址寻访：每个存储单元赋予一个地址号

• MAR存储器地址寄存器（Memory Address Register）：存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元，反映存储单元的个数：2^MAR个存储单元

• MDR存储器数据（缓冲）寄存器（Memory Data Register）：暂存要从存储器中读或写的信息，反映存储字长

1. 运算器的基本组成及操作过程

• ALU算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit） 包含若干通用寄存器：ACC（Accumulator）累加器、MQ乘商寄存器（Multiplier-Quotient Register）、X操作数寄存器

1. 控制器的基本组成

• PC程序计数器（Program Counter）：存放当前欲执行（下一条）指令的地址 具有计数功能 (PC) + 1 * 指令长度 → PC

• IR指令寄存器（Instruction Register）：存放当前正执行指令的内容（指令字）

• CU控制单元（Control Unit）

§1.3 评价计算机性能的主要指标

一、非时间指标

1. 机器字长：机器单次运算能处理的二进制位数，一般等于通用寄存器或ALU的位数，字长越长，数的表示范围越大，精度越高

2. 总线宽度：数据总线一次能并行传输的最大信息位数

• 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致

1. 主存容量、存储带宽

• 主存容量：一台计算机主存所包含的存储单元总数 字节/字数 * 字长 = (2 ^ MAR) * MDR

• 存储带宽：单位时间内与主存交换的二进制信息量，单位Byte/s 字节每秒

1. CPU内核数

二、时间指标

1. 主频、时钟周期

• 主频f（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率
外频、倍频

• 时钟周期T = 1 / f

1. CPI、IPC

• CPI（Cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数，是一个平均值

• IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令，IPS = 主频 / CPI
CPU执行时间 = IC指令条数 * CPI * 时钟周期

1. MIPS、MFLOPS

• MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒执行多少百万条指令，MIPS = IC指令条数 / (CPU执行时间 * 10^6) = f / (CPI * 10^6)

• MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少百万次浮点运算

1. CPU执行时间、响应时间、吞吐率

期末真题

1. 执行一条指令所需时间1/(0.8*10^6)s

1. 执行一条指令所需时间1.6*10^(-6)*2.5s

1. 4MHz变慢啦！