计算机组成原理计算机系统概述

Posted 2022-12-07 dream-to-pku

计算机结构：

1、硬件：组成计算机的各种设备实体，是物质基础

2、软件：各种程序和文件

计算机的基本功能：

• 数据加工
• 数据保存
• 数据传送
• 控制操作

五大功能部件：

• 运算器、控制器
• 存储器（高速缓存  主存储器  虚拟存储器）
• 输入、输出设备

这些设备和布局通过总线和接口连接为一台完整的计算机

tip:另一种分类：CPU  存储器 输入设备 输出设备   总线

 

运算器

核心是算术逻辑运算单位（ALU）

进行加减乘除等算术运算、逻辑运算。

计算机中采用二进制数 

注：位数越多，计算的精度就越高，但是位数越多所需的电子器件也就越多，目前计算机的运算器长度一般为8  16 32  64位

存储器

保存或记忆理解程序（数据）和指令

在运算前把参加运算的数据和解题步骤通过输入输出设备送到存储器中保存起来。

不论是指令还是数据，存储器中存储的全是0或1表示的二进制代码

目前采用半导体器件来作为存储器，一个半导体触发器可以记忆一个二进制代码，一个数假定采用16位二进制代码表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码。

存储元：保存一个二进制位的触发器

存储单元：若干个存储元构成一个存储单元

地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址。

存储容量：存储器所有存储单元的总数，通常用单位KB MB GB TB表示，存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。

K 2的10次  M 2的20次方  G 2的30次方  T  2的40次方

B代表字节   1B=8bit

外存储器：计算机中又配备的存储容量更大的磁盘存储器、光盘存储器等。相对而言，半导体存储器称为内存储器。磁盘存储器   光盘存储器  等称为外存储器。

高速缓存存储器 主存储器  虚拟存储器组成了多级存储器系统

控制器

控制器是计算机中发号施令的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号，它控制计算机的所有部件有条不紊的进行工作，控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作

1、正确分析和执行每条指令

取指令-分析指令-执行指令

2、保证指令按规定序列自动连续的执行

3、对各种异常情况和请求及时响应和处理

1）计算程序

运算器只能完成加减乘除四则运算及其他一些辅助操作，对于比较复杂的算题，计算机才操作前必须化成多步简单的加减乘除等基本操作来做。

2）指令的形式

指令的内容由两部分组成，即操作的性质和操作的地址，前者是操作码后者为地址码

操作码：指出指令所进行的操作，如加减乘除 取数 存数等

地址码：表示参加运算的数据应从存储器的哪个存储单元取，运算的结果应该存到哪个单元

将指令存放到存储器中叫存储程序

存储器的任何位置既可以存数据，也可以存指令，但是一般指令和数据分开存

 

取指令的一段时间取指周期  执行指令的一段时间是执行周期。

 

 

冯诺依曼基本要点:

1)采用二进制形式表示数据和指令

2）由输入设备  输出设备 运算器 存储器和控制区五大部件组成

3)采用存储程序方式

存储程序方式是冯诺依曼思想的核心

4）指令和数据一同等地位存于存储器地址寻访，程序和数据统一存储

5）指令由操作码和地址码组成

6）以运算器为中心

 

计算机性能指标

1、机器字长

指处理机运算器一次能够处理完成运算的二进制的位数，字长越长，表示计算机精度越高，与CPU寄存器位数有关 

吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）

响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微妙  10的负6次方   纳秒  10的负9次方

利用率：表示在给定是时间间隔内系统被实际 使 用的时间所占的比率

总线宽度：一般指cpu中运算器和存储器之间进行互连的内部总线二进制位数

主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率较CPU的主频，度量单位是MHz GHz 

主频的倒数称为CPU的时钟周期 单位是微秒  纳秒

 

K M G 存储是2的10次 20次  30次   速度表示   10的3次  6次  9次

 

CPU的执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的时间

CPU执行时间=CPU时钟周期*CPU时钟周期长

CPI：表示每条指令周期数，即执行一天指令所需的平均时钟周期数

CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/该程序包含的指令条数

 

MIPS：表示每秒百万条指令数

MIPS=指令条数/程序执行时间乘以10的6次