计算机组成原理 | 第一章：概论 | 冯诺依曼计算机 | 计算机硬件

冯诺依曼计算机的特点

要背，加粗为踩点重点

• 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
• 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
• 指令和数据均用二进制数表示。
• 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。
• 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
• 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。

计算机硬件组成框图

• 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
• 存储器用来存放数据和程序。
• 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。
• 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式。
• 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。

计算机硬件的主要技术指标

非时间指标

机器字长： 指机器一次能处理的二进制位数

• 由加法器、寄存器的位数决定
  • 一般与内部寄存器的位数相等
• 字长越长，表示数据的范围就越大，精确度越高
  • 目前常见的有32位和64位字长

总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息的位数

• 一般指运算器与存储器之间的数据总线位数
• 有些计算机内部和外部数据总线宽度不一致

主存容量：指一台计算机主存所包含的存储单元总数

• 存储单元总数 = 存储单元个数 × 存储字长

存储带宽：指单位时间内与主存交换的二进制信息量

• 常用单位B/S(字节/秒)，关注量纲

例题：

解：

• 总线时钟频率为10MHz，得时钟周期T = 1/f，又一个总线周期占用两个时钟周期，最后时间为1/5
• 总线带宽 = 字节/时间 = 20MB/S

时间指标

主频：CPU 内核工作的时钟频率

时钟周期T：也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位

• 主频＝外频×倍频

• 外频：指 CPU 与主板之间同步的时钟频率

• 倍频：CPU 主频与外频之间的倍数

CPI： 一个指令需要的时钟周期数

• 程序中所有指令的时钟周期数之和 / 程序指令总数
• （程序中各类指令的CPI × 程序中该类指令的比例）求和

• IPC：每个时钟周期内所执行的指令条数，和CPI互为倒数

• CPU性能实际影响因素：IPC × 频率

MIPS：每秒钟 CPU 能执行的指令总条数

• MIPS = 指令条数 / (执行时间 × $10^6$)
• MIPS = 指令条数 / {(所有指令的时钟周期数之和 / f) × $10^6$}
• MIPS = f / (CPI × $10^6$)

计算技巧归纳

小结

本章掌握要点

• 关注硬件框图

• 冯诺依曼计算机的特点

• 计算机硬件的主要性能指标

补充思考题

• 指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们❓

  • 通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段取出的为程序，在执行指令阶段取出的为数据。
  • 通过地址来源区分，由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。

• 如何理解计算机组成和计算机体系结构❓

  • 计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性。
    • 例：有无乘法指令
  • 计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性。
    • 例：如何实现乘法指令

• 如何理解计算机的层次结构❓

• 汇编语言与机器语言的关系是一对一
• 汇编语言在计算机中执行最快