计算机组成与体系结构概述

计算机系统概述

计算机系统的组成

计算机的基本部件：

运算器：ALU、GPRs（通用寄存器组）、标志寄存器等；
存储器：存储阵列、地址译码器、读写控制电路；
总线：数据（MDR）、地址（MAR）和控制线；
控制器：对指令译码生成控制信号；

冯诺伊曼结构：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。

存储器同时存放数据和指令，形式上没有区别；
内部以二进制表示指令和数据，每条指令由操作码和地址码两部分组成；
采用“存储程序”的工作方式。

“存储程序”工作方式：冯诺依曼结构的最重要的思想，指任何计算机完成的工作都要先悲编写成程序，然后将程序和原始数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。

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计算机层次结构

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最终用户工作：在应用程序层面，看到的是应用程序虚拟机，只知道如何使用相应的应用程序；
应用程序开发人员：在程序设计语言层面工作，看到的是高级语言虚拟机，只要会使用各种程序设计语言编程；
系统维护人员：在操作系统层面工作，看到的是操作系统虚拟机，只要知道系统中的命令和工具如何使用；
系统程序员（OS和编译器开发人员）：工作在计算机逻辑结构层面（ISA层次），看到的是汇编语言虚拟机；

ISA（指令集体系结构）：ISA 是一种规约，规定了如何使用硬件；是软/硬件的交界面；

常分为复杂指令集运算（CISC）和精简指令集运算（RISC）；

计算机性能评价

计算机的性能指标：

完成任务所需要的时间：如响应时间、执行时间、等待时间或时延；
单位时间所完成的任务：如吞吐率、带宽；

不同应用场合用户关心的性能不同，如：

要求吞吐率高的场合：多媒体应用；
要求响应时间短的场合：事务处理系统；
要求吞吐率高且响应时间短的场合：ATM、服务器；

通常把用户感觉到的响应时间分成以下两个时间：

CPU 时间：指 CPU 真正花在程序执行上的时间，又分为：
- 用户 CPU 时间：用来运行用户代码的时间；
- 系统 CPU 时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间；
其他时间：指等待 I/O 操作完成或 CPU 花在其他用户程序的时间；

基本的性能评价标准是：CPU 的执行时间 ，即执行程序中每条指令的时间。

CPI ：平均每条指令所花费的 CPU 周期数

CPU 执行时间的计算
$\text{CPU执行时间}=\text{指令条数}/\text{程序数}\times\text{CPI}\times\text{时钟周期}$

$\text{CPU time}=\frac{\text{Seconds}}{\text{Program}} =\frac{\text{Instructions}}{\text{Program}} \times\frac{\text{Cycles}}{\text{Instructions}} \times\frac{\text{Seconds}}{\text{Cycles}}$

例：程序P在机器A上运行需10 s，机器A的时钟频率为400MHz。现在要设计一台机器B，希望该程序在B上运行只需6 s；机器B时钟频率的提高导致了其CPI的增加，使得程序P在机器B上时钟周期数是在机器A上的1.2倍。机器B的时钟频率达到A的多少倍才能使程序P在B上执行速度是A上的10/6=1.67倍？

解：程序 P 在机器 A 上的时钟周期数为：
$10\text{s}\times 400\text{MHz}=4000M$
B 机器的时钟频率为：
$1.2 \times 4000\text{M}/6s\text{s}=800\text{MHz}$
MIPS 定点指令执行速度：Million Instruction Per Second