计算机组成原理知识总结-计算机系统概述

计算机组成原理

第一章 计算机系统概述

1.1 冯诺依曼计算机（程序存储、二进制）

1. 计算机由五大部件组成：运算器， 输入设备，输出设备，控制器，存储器
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 采用存储程序方式，事先将编好的程序和数据存入主存储器中
4. 指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置
5. 指令在存储器内按顺序存放
6. 机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

1.2 主要技术指标

1. 机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关。机器字长会影响机器的运算速度。
2. 运算速度：

• 主频：f，时钟周期倒数，CPU工作主时钟的频率
• MIPS：每秒执行百万条指令
• CPI：执行一条指令所需时钟周期数
• FLOPS：每秒浮点运算次数

3. 存储容量（存放二进制信息的总位数）

• 主存容量 存储单元个数 X 存储字长 / 字节数
• 辅存容量 字节数

4. 存储带宽 单位时间内与主存交换的二进制位数B/S
5. 其他性能指标：

• 吞吐量：单位时间内的数据输入输出数量
• 响应时间：计算机系统对特定事件的响应时间

机器字长：指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

指令字长：机器指令中二进制代码的总位数。

存储字长：一个存储单元能存放的二进制数字位数

1.3 计算机系统层次结构

应用软件、系统软件、硬件构成了计算机系统的三个层次结构。

计算机软件有两大类：系统软件（直接管理硬件资源）和 应用软件。其中、系统软件管理应用软件。

系统软件包括： 1、操作系统 2、语言处理程序 3、标准库程序 4、服务性程序 5、数据库管理系统 6、计算机网络软件

计算机硬件系统包括：

CPU（运算器、控制器、Cache）、存储系统（高速缓存、主存储器、外存设备）、输入/ 输出设备等主要组成部分。通过总线和接口连接在一起构成一台完整的计算机。运算器是处理数据的，控制器是执行程序的，存储器是存储数据和程序的。

• 控制器：按规定管理 指挥（人的大脑）。处理指令的

  功能：

  1. 正确执行每条指令（单个指令） 取->分析->执行
  2. 保证指令按规定序列自动连续执行。（多个指令）
  3. 对异常情况和请求及时响应和处理。

• 运算器: 数据加工

  其主要功能包括：

  1. 算术运算，逻辑运算

     所有的运算功能由一个被称为ALU（算术逻辑单元）的电路完成。

     功能强的ALU还能执行：定点运算、浮点运算，向量运算。

  2. 暂放参加运算的数据和中间结果。（由多个通用寄存器来完成）

• 存储器：

  三级存储系统：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器。这三级存储器存储介质（半导体材料，磁性材料），工作原理和特性各不相同。

• 系统总线：借助系统总线的连接，计算机在各系统部件之间实现地址信号、数据信号、控制信号的传送。
  特点：为保证总线上的信息不至于冲突，共享总线的各个部分必须分时使用总线发送信息，以保证总线上的信息每时每刻都是唯一的，但是总线上的各个部件可以同时接受总线上的信息
  优点：采用总线结构可以大大减少传输线数，减轻发送部件的负载，并可简化硬件结构，灵活的修改与扩充系统