计算机组成原理学习笔记总结-第一章 计算机系统概论

参考视频：计算机组成原理慕课

参考书本：白中英 戴志涛 等《计算机组成原理》

1.0 导学

基础课：数电与逻辑、汇编、硬件描述语言、高级语言程序设计

核心专业基础课：计算机组成原理、操作系统

专业课：嵌入式系统、存储系统、计算机系统、网络系统、数据库系统

计算机组成原理 主要讲解 运算器、控制器、存储器的结构和原理、设计方法，以及互连构成整机的技术。

1.1 冯·诺依曼结构和层次结构分析

/1 冯·诺依曼计算机核心思想

（1）存储程序：将程序存放在计算机的存储器中

（2）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

/2 冯·诺依曼计算机分为 硬件系统 和 软件系统

硬件系统分为：运算器、控制器、适配器、存储器、输入输出设备

主机：CPU（运算器、控制器）、内存

外设：输入、输出设备，外存储器

总线：控制线、数据线、地址线

存储器中，容量->地址线数量  1K -> 10    1M -> 20    1G -> 30  那么256G = 2^8G -> 30+8 = 38

 软件分为：系统软件、支持软件、应用软件

/3 计算机的层次结构

以指令集架构层为软、硬件分界线

层次越低，执行效率越高，透明度越低

在设计时，需要有系统观，软硬件相互影响

1.2 计算机系统性能评价

/1  非时间指标

（1）机器字长：机器一次能处理的二进制位数

（2）总线宽度：数据总线一次能够并行传输传送的最大信息的位数

（3）主存容量：一一台计算机主存所包含的存储单元总数

        存储带宽：单位时间内存储器与主存交换的二进制信息量，单位B/s（字节/秒），影响因素：数据位宽、数据传输速率

/2 时间指标

（1）主频f：CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号振荡的速率

        时钟周期T：节拍周期，是计算机内最小最基本的单位，一个T内，CPU仅完成一个最基本的工作。f = 1 / T，即f = 100MHz， T= 10ns； f = 1GHz， T = 1ns

        外频：CPU与主板之间同步的时钟频率。即系统总线的工作频率

        倍频： CPU主频与外频的倍数，f = 外频 * 倍频

（2）CPI：每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。CPI = 执行某段程序所需CPU时钟周期数 / 程序包含的指令条数 = sum（程序中各类指令的CPI * 该指令的比例）

（3）MIPS：每秒CPU执行的指令总条数（百万条/秒）。MIPS = 指令条数 / （执行时间*10^6） = 指令条数 / （（所有指令CPU时钟周期数之和/f）* 10^6） = f / (CPI * 10^6)

/3 CPU时间 = 所有指令CPU时钟周期数之和 / f

执行一段程序所需时间 = CPU时间 + I/O时间 + 存储访问时间 + 各类排队时延等

（1）考虑CPI后的CPU时间 t =  = 总指令数 * CPI * T

（2）考虑MIPS后的CPU时间 t = 指令指数 / （MIPS*10^6），因为MIPS = 指令条数 / （执行时间*10^6）

1.3  计算机性能测试

针对CPU、显卡、硬盘、内存等不同测试工具、综合测试

%%%

1.计算机字长一般与通用寄存器的位数相同，一般与运算器的数据位相同

2.若某程序编译后生成的目标代码由A、B、C、D四类指令组成，它们在程序中所占比例分别为40%、20%、15%、25%。已知A、B、C、D四类指令的CPI分别为1、2、2、2。现需要对程序进行编译优化，优化后的程序中A类指令条数减少了一半，而其它指令数量未发生变化。假设运行该程序的计算机CPU主频为500MHZ。优化后程序的MIPS 为（保留到小数点后1位）
20/80 * 1 + 20/80 * 2 + 15/80 * 2 + 25/80 * 2 = 1.75 

3.计算机硬件能直接执行的是  机器语言