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计算机组成原理 计算机系统概述

1098人浏览 / 0人评论 / | 作者:因情语写  | 分类: 计算机组成原理  | 标签: 计算机组成原理

作者:因情语写

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    (一)计算机发展历程

    (二)计算机系统层次结构

    1、计算机系统的基本组成

    2、计算机硬件的基本组成

    3、计算机软件与硬件的关系

    4、计算机系统的工作过程

    (三)计算机性能指标

    -吞吐量、响应时间

    -CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间

    -MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS

    1.1 计算机的发展历程

    1946年 美国 ENIAC

    硬件技术对计算机更新换代的影响(注:有的地方分为五代)

    微型计算机的出现和发展

    微处理器芯片 1971年

    存储器芯片 1970年

    Intel公司的典型微处理器产品

    

    1.2 计算机系统层次结构-虚拟机

    一、计算机的软硬件概念

    1、计算机系统

    PC主板

    各种语言

    机器语言 面向机器(二进制,机器能直接执行,速度快)

    汇编语言 面向机器(符号化机器语言,经汇编后执行)

    高级语言 面向问题(类自然语言,经编译链接后执行)

    二、计算机系统的层次结构

    2、系统软件

    语言处理程序  汇编程序 编译程序 解释程序

    操作系统  DOS UNIX Windows

    服务性程序  装配 调试 诊断 排错

    数据库管理系统  数据库和数据库管理软件

    网络软件

    三、计算机体系结构和计算机组成

    四 计算机硬件的基本组成和工作原理

    冯·诺依曼计算机的特点

    (1)运算器、控制器、存储器、输入和输出设备

    (2)采用存储程序的方式

    (3)数据以二进制码表示

    (4)指令由操作码和地址码组成

    (5)指令在存储器中按执行顺序存放,由PC指明要执行的指令的单元地址,一般按顺序递增

    (6)计算机以运算器为中心

    冯·诺依曼计算机硬件框图

    以存储器为中心的计算机硬件框图

    现代计算机硬件框图

    运算器

  • 算术运算和逻辑运算
  • 在计算机中参与运算的数是二进制的
  • 运算器的长度一般是8、16、32或64位

 

    存储器

  • 存储数据和程序(指令)
  • 容量(存储单元、存储单元地址、容量单位)
  • 存储器单位:

    2¹⁰B = 1K

    2¹⁰K = 1M

    2¹⁰M = 1G

    2¹⁰G = 1T

  • 两个寄存器

    -MAR 存地址

    -MDR 存数据

    存储容量(存放二进制信息的总位数)

    控制器

  • 指令和程序
  • 指令的形式(操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统)
  • 指令和数据存储
  • PC(程序计数器)program counter
  • IR(指令寄存器)instruction register
  • CU(控制单元)control unit

    基本任务:按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。

    取指周期和执行周期?指令字,还是数据字

    -取指周期中从内存读出的信息流是指令流,流向控制器

    -执行周期中从内存读出的信息流是数据流,流向运算器

    计算机工作的全过程

  • 输入程序和数据
  • 程序首地址->PC
  • 启动运行程序
  • 取指令PC->MAR->M->MDR->IR, (PC) + 1 -> PC
  • 分析指令OP(IR)->CU
  • 执行指令Ad(IR)->MAR->M->MDR->ACC

    ......

  • 打印结果
  • 停机

    例子

    1.3 计算机性能指标

  • 机器字长 是指参与运算的数的基本位数,它是由加法器、寄存器的位数决定的
  • 数据总线 一次所能并行传送信息的位数,称为数据通路宽度
  • 一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量

    -以字节数来表示存储容量,也可以用字数乘以字长来表示存储容量

  • 吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量
  • 响应时间是指系统对请求作出响应的时间

    -包括CPU时间(运行一个程序所花费的时间)与等待时间(用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间)的总和

  • CPU的主频又称为时钟频率,表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度
  • 主频的倒数就是CPU时钟周期,CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。
  • 主频=时钟周期数/s
  • CPI 是指每条指令执行所用的时钟周期数
  • IPC 每个时钟周期执行的指令数
  • CPI = 1/IPC

    如何计算CPI?

    对于某一条特定的指令而言,其CPI是一个确定的值

    对于某一个程序或一台机器而言,其CPI是一个平均值,表示该程序或该机器指令集中每条指令执行时平均需要多少时钟周期 

    假定CPIᵢ和Cᵢ分别是第i类指令的CPI和指令条数,则程序的总时钟数为:

    总时钟数=∑[i=1, n]CPIᵢ x Cᵢ    CPU时间=时钟周期 x ∑[i=1, n]CPIᵢ x Cᵢ

    假定CPIᵢ和Fᵢ是各指令CPI和在程序中的出现频率,则程序综合CPI为

    CPI = ∑[i=1, n]CPIᵢ x Fᵢ     where Fᵢ = Cᵢ / ∑[i=1, n]Cᵢ

  • 提高计算机系统速度的因素

    -提高CPU的时钟频率

    -优化数据通路结构,解决速度瓶颈可以提高计算机系统的吞吐量,从而加快计算机的执行速度

    -对程序进行编译优化,可以提高程序的执行效率,缩短程序的执行时间


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