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

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