Home 计算机科学 计算机组成

# Ch1 计算机系统概述

# 1.1 计算机发展历程

  • 四代计算机：电子管 -> 晶体管 -> 集成电路 -> 超大规模集成电路
  • 摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过 18 个月到 24 个月便会增加一倍

# 1.2 计算机系统层次结构

  • 计算机系统：硬件 + 软件
  • 对于某一功能，既能用软件实现又能用硬件实现，称为软、硬件在逻辑功能上是等价的

# 1.2.2 硬件

  • 冯・诺依曼机的特点：
    • 采用 “存储程序” 的工作方式
    • 冯・诺依曼计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
    • 指令和数据以同等地位存储在存储器中
    • 指令和数据均用二进制代码表示
    • 指令由操作码和地址码组成
  • 计算机的功能部件：
    • 输入设备
    • 输出设备
    • 存储器：主存 + 外存
      • CPU 能直接访问的是主存
      • MAR 位 10 位则最多有2102^{10} 个存储单元
      • 在现代计算机中 MAR 和 MDR 存在 CPU 中
    • 运算器：进行算术运算和逻辑运算
      • 核心是 ALU：通用寄存器有累加器 (ACC)，乘商寄存器 (MQ)，操作数寄存器 (X)，变址寄存器 (IX)，基址寄存器 (BR) 等，前三个必备
      • 程序状态寄存器 (PSW)
    • 控制器：由 PC, IR 和 control unit 组成
      • : RISCV 控制器
    • CPU 由运算器、控制器和 cache 组成
    • 总线有地址总线、数据总线、控制总线

# 1.2.3 软件

  • 组成：系统软件 (OS, DBMS, 编译器，…)+ 应用软件
  • 语言：汇编语言、机器语言、高级语言
    • 汇编器：把汇编语言翻译成机器语言
    • 编译器：把高级语言翻译成汇编语言或机器语言
    • 解释器：把高级语言翻译成机器语言 (比如 python)
      example

      🌰
      将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是 []。
      A. 汇编程序
      B. 链接程序
      C. 编译程序
      D. 解释程序

      C. 编译程序
      因为解释程序不生成目标代码，编译器可以把高级语言翻译成汇编语言或者直接翻译成机器语言

# 1.2.4 计算机系统的层次结构

  • 看看就好

# 1.2.5 计算机系统的工作原理

  • 程序执行前，需要把所含的指令和数据一起放入主存中
  • 五个阶段：IF-ID-EX-MEM-WB
  • c 程序怎么变成可执行文件的：直接看图
    • 汇编器把指令打包成可重定位目标代码文件：使用相对地址和符号引用来表示各个代码段之间的关系（代码段、数据段、符号表、重定位表…）使得代码或数据能在内存中任意位置加载或运行
  • 指令执行过程：后面几章会具体讲

# 1.3 计算机的性能指标

# 1.3.1 主要性能指标

  • 字长：一次整数运算所能处理的二进制数据的位数

    机器字长、指令字长和存储字长

  • 带宽 bandwidth ：总线一次能并行传送信息的位数
  • 主存容量
  • 运算速度
    • 吞吐量 throughput ：一次输入数据所对应的输出数据个数
    • 响应时间 Response (Execution) time
    • 主频
    • clock cycle time( = 1/CPU frequency)
    • MIPS: million instructions per second
    • FLOPS: floating-point operations per second

    CPI: clock cycles per instruction (IPC: CPI 的倒数)

CPU execution time=CPU clock cycles×Clock cycle time=CPU clock cyclesClock rate \begin{aligned} \text{CPU execution time} &= \text{CPU clock cycles} \times \text{Clock cycle time} \\ &= \frac{\text{CPU clock cycles}}{\text{Clock rate}} \end{aligned}

CPU clock cycles=Instructions count×Average cycles per instruction\begin{aligned} \text{CPU clock cycles} &= \text{Instructions count} \times \text{Average cycles per instruction} \end{aligned}

CPU execution time=CPU clock cycles×Clock cycle time=CPU clock cyclesClock rate\begin{aligned} \text{CPU execution time} &= \text{CPU clock cycles} \times \text{Clock cycle time} \\ &= \frac{\text{CPU clock cycles}}{\text{Clock rate}} \end{aligned}

performance=1CPU execution time \begin{aligned} \text{performance} &= \frac{1}{\text{CPU execution time}} \end{aligned}

“Processor X is n times fast than Y” is

n=CPU execution time of YCPU execution time of X \begin{aligned} \text{n} &= \frac{\text{CPU execution time of Y}}{\text{CPU execution time of X}} \end{aligned}

IPS: instructions per second

IPS=CPU frequencyCPI=1CPU clock cycles×CPU execution time \begin{aligned} \text{IPS} &= \frac{\text{CPU frequency}}{\text{CPI}} &= \frac{1}{\text{CPU clock cycles} \times \text{CPU execution time}} \end{aligned}

  • 其他公式，，，用到再说吧
  • 兼容：软件或硬件的通用性

在用于科学计算的计算机中，标志系统性能最有用的参数是浮点数运算相关的

  • MFLOPS 10^6
  • GFLOPS 10^9
  • TFLOPS 10^12
  • PFLOPS 10^15
  • EFLOPS 10^18
  • ZFLOPS 10^21