第1章：计算机系统概述

Note

参考计算机系统概述ppt

作为大二学生开始学习《计算机组成原理》是非常关键的一步。这门课的核心教学目标是帮你理解计算机的组成结构和运行机理，把计算机从“黑盒”变成“白盒”，从“玩具”变成“工具”。

第一章“计算机系统概述”是整门课程的基石，主要为你建立起计算机系统的整体宏观概念。

1. 计算机的发展简史与分类

五代发展演变：计算机经历了第一代电子管计算机（主要用于数据处理，如ENIAC）、第二代晶体管计算机（工业控制）、第三代中小规模集成电路计算机（小型机出现）、第四代超大规模集成电路计算机（进入个人计算机PC时代），直到第五代巨大规模集成电路/单片计算机。
摩尔定律：在价格不变的情况下，芯片集成度每18个月翻一番，这极大地推动了计算机硬件的发展。
分类：按照输入输出信号形式，可分为模拟计算机（处理连续电压等）和数字计算机（按位运算，逻辑判断能力强）。

2. 计算机的硬件系统（核心重点）

冯·诺依曼体系结构：这是现代计算机的基础。它的最主要设计思想是 “存储程序”和“程序控制”，即将指令和数据以二进制形式存放在同一个存储器中。
五大基本部件：运算器（实现算术和逻辑运算）、控制器（分析并执行指令）、存储器、输入设备和输出设备。其中，运算器和控制器共同组成了中央处理器（CPU）。
哈佛体系结构：作为对比，哈佛结构将指令存储器和数据存储器分开存储，并采用独立的两条总线，现在的处理器（如ARM结构或CPU内的Cache）经常采用这种结构以提高效率。

3. 计算机的软件系统与层次结构

软件分类：软件是用户与硬件的桥梁，主要分为系统软件（如操作系统、数据库系统、语言处理程序等）和应用软件（如Word、用户程序等）。
语言处理程序：了解机器语言、汇编语言和高级语言的演变。重点区分翻译程序的三种类型：汇编程序、编译程序（整体翻译）和解释程序（边翻译边执行，不产生目标程序）。
多级层次结构：现代计算机系统可以看作是由多层抽象组成的，从底层到高层依次为：微程序设计级（由硬件直接执行） -> 一般机器级（机器语言） -> 操作系统级 -> 汇编语言级 -> 高级语言级。需理解软件与硬件的逻辑等价性。

4. 计算机系统性能评价（必考计算点） 这是第一章中最需要掌握量化计算的部分，一定要牢记以下指标及其关系：

主频与时钟周期：主频（f）是CPU工作节拍的时钟频率，时钟周期（T）是主频的倒数（T = 1/f）。
CPI（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所需的平均时钟周期数。计算公式：CPI=N/C= 执行这么多指令需要总的时钟周期数/执行的指令数
MIPS（Million Instructions Per Second）：平均每秒执行的百万条定点指令数。计算公式：MIPS = 主频 / (CPI * 10^6)。
FLOPS：平均每秒执行的浮点操作次数。
程序执行时间（tCPU）：tCPU = 指令总条数 * CPI * 时钟周期。或者T = C/f，即程序执行时间=执行程序所需的总的时钟周期数/CPU的主频。

CPU 的性能与计算机运行速度密切相关，其主要指标如下：

一个机器周期包含若干个时钟周期，时钟周期是主频的倒数。

主频，又称为时钟频率，表示在 CPU 内数字脉冲信号振荡的速度，一般以 \(\text{MHz}\) 或 \(\text{GHz}\) 为单位。很多人认为 CPU 的主频就是其运行速度，其实不然，CPU 的主频与 CPU 实际的运算能力并没有直接关系。主频和实际运算速度存在一定的关系（在同一个系列计算机中，在同样条件下，主频越高，速度越快），但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为 CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线各方面的性能指标（缓存、指令集、CPU 的位数等）。
CPU 时钟周期，是指主频的倒数，是 CPU 中最小的时间元素，每个操作至少需要一个时钟周期。
CPI，是指每条指令执行所用的时钟周期数，由于不同指令的功能不同，造成指令执行时间不同，即指令执行所用的时钟周期不同，所以 CPI 应该是一个平均值。
IPC（每个时钟周期执行的指令条数），指 CPU 每一时钟周期内所执行的指令数量，IPC 代表了一款处理器的设计架构，一旦该处理器设计完成之后，IPC 就不会再改变了。这里所说的指令一般是指加、减运算等短指令。
CPU 执行时间，是指运行一个程序所花费的时间，其计算公式如下：

\[\text{CPU 执行时间} = \frac{\text{CPU 时钟周期数}}{\text{主频}} = \frac{\text{IC} \times \text{CPI}}{\text{主频}}\]

💡 提示上式表明，CPU 的性能取决于三个要素：时钟频率、每条指令执行所用的时钟周期数和程序中的指令条数（IC）。

MIPS，是指每秒执行多少条指令，其定义为：

\[\text{MIPS} = \frac{\text{指令条数}}{\text{执行时间} \times 10^6} = \frac{\text{主频}}{\text{CPI}} = \text{主频} \times \text{IPC}\]

MFLOPS，是指每秒执行多少次浮点运算，其定义为：

\[\text{MFLOPS} = \frac{\text{浮点操作数}}{\text{执行时间} \times 10^6}\]

💡 提示在计算过程中时间单位的关系是：\(1\text{ms（毫秒）} = 10^{-3}\text{s（秒）}\)，\(1\mu\text{s（微秒）} = 10^{-6}\text{s（秒）}\)，\(1\text{ns（纳秒）} = 10^{-9}\text{s（秒）}\)。

💡 学习建议： 在复习第一章时，建议你重点吃透 “存储程序”的工作机制 以及性能指标（CPI、MIPS等）的计算题 ，这通常是期末考试的重点。如果遇到一些暂时不理解的硬件概念（如各种寄存器或总线），不用过于深究，因为这些在后续的“运算器”、“存储系统”和“中央处理器”等章节中都会进行详细剖析。

（1）平均 CPI

总指令数：

\[ N = 45000 + 75000 + 8000 + 1500 = 129500 \]

总时钟周期数：

\[ C = 45000 \times 1 + 75000 \times 2 + 8000 \times 4 + 1500 \times 2 \]

\[ = 45000 + 150000 + 32000 + 3000 \]

\[ = 230000 \]

平均 CPI：

\[ \text{CPI} = \frac{230000}{129500} \approx 1.78 \]

（2）MIPS

计算公式：

\[ \text{MIPS} = \frac{\text{主频}}{\text{CPI} \times 10^6} \]

代入数据：

\[ \text{MIPS} = \frac{400}{1.78} \approx 224.7 \]

因此：

\[ \boxed{\text{MIPS} \approx 225} \]

（3）程序执行时间

计算公式：

\[ T = \frac{\text{总时钟周期数}}{\text{主频}} \]

代入数据：

\[ T = \frac{230000}{4 \times 10^8} \]

\[ = 5.75 \times 10^{-4}\text{s} \]

\[ = 0.575\text{ms} \]

CPU 性能评估相关知识

CPU 执行时间公式：

\[ T = \frac{\text{CPU时钟周期数}}{\text{时钟频率}} \]

又因为：

\[ \text{CPU时钟周期数} = IC \times CPI \]

因此：

\[ T = \frac{IC \times CPI}{f} \]

其中：

\(IC\)：指令总数（Instruction Count）
\(CPI\)：平均每条指令所需时钟周期数
\(f\)：主频（时钟频率）
\(T\)：程序执行时间

CPI（平均时钟周期数）

定义：

\[ CPI = \frac{\text{总时钟周期数}}{\text{总指令数}} \]

若存在多种指令类型，则使用加权平均：

\[ CPI_{avg} =\frac{\sum (IC_i \times CPI_i) }{ \sum IC_i } \]

其中：

\(IC_i\)：第 \(i\) 类指令数量
\(CPI_i\)：第 \(i\) 类指令对应的 CPI

MIPS

MIPS 表示：

CPU 每秒执行多少百万条指令。

计算公式：

\[ MIPS =\frac{f}{CPI \times 10^6} \]

若主频单位为 MHz：

\[ MIPS = \dfrac{\text{主频(MHz)}}{CPI} \]

时钟频率与时钟周期

时钟频率：

\[ f \]

单位：

\[ 1\text{MHz} = 10^6\text{Hz} \]

\[ 1\text{GHz} = 10^9\text{Hz} \]

时钟周期：

\[ T_{clock} = \frac{1}{f} \]

表示一个时钟周期持续的时间。

本题常用计算步骤

总指令数：

\[ IC = \sum IC_i \]

总时钟周期数：

\[ C = \sum (IC_i \times CPI_i) \]

平均 CPI：

\[ CPI_{avg} = \frac{C}{IC} \]

MIPS：

\[ MIPS = \frac{f}{CPI \times 10^6} \]

程序执行时间：

\[ T = \frac{C}{f} \]

核心理解

CPU 性能由三部分共同决定：

\[ T = \frac{IC \times CPI}{f} \]

即：

指令数越少，程序越快
CPI 越小，CPU 效率越高
主频越高，执行速度越快

但：

主频高不一定性能高。

因为 CPI 和指令数量同样会影响最终性能。

另外：

MIPS 不能完全反映 CPU 性能。

因为不同指令复杂度不同，不同 CPU 的指令系统也不同。