计算机系统层次机构

计算机系统的组成

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统

计算机硬件

• 冯·诺伊曼机的特点：

  1. 采用“存储程序”的工作方式
  2. 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
  3. 指令和数据以同等的地位存储在存储器中
  4. 指令和代码均用二进制代码表示
  5. 指令有操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
  6. 以运算器为中心

• 计算机功能部件

  1. 输入设备
  2. 输出设备

  3. 存储器

     • 按地址存取方式
     • MAR：存储器地址寄存器
     • MDR：存储器数据寄存器

  4. 运算器

     • 核心：算术逻辑单元（ALU）
     • 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）

  5. 控制器

     • 程序计数器（PC）
     • 指令寄存器（IR）
     • 控制单元（CU）

计算机性能指标

计算机的主要性能指标

1. 机器字长

   • 一般为8的整数倍

2. 数据通路带宽

   • 数据总线一次所能并行传送信息的位数

3. 主存容量

   • 主存储器所能存储信息的最大容量

4. 运算速度

   • 吞吐量和响应时间

   • 主频和CPU时钟周期：

     $\text{CPU时钟周期} = \dfrac{1}{\text{主频}}$

• CPI ：执行一条指令所需的时钟周期数

  • IPS：每秒执行多少条指令

    $\text{IPS} = \dfrac{\text{主频}}{\text{平均 CPI}}$

• CPU执行时间 ：

  $\text{CPU执行时间}=\dfrac{\text{CPU时钟周期数}}{\text{主频}}=\dfrac{\text{指令条数} \times \text{CPI}}{\text{主频}}$

• MIPS：每秒执行多少百万条指令

  $\text{MIPS} = \dfrac{\text{指令条数}}{\text{执行时间} \times 10^6} = \dfrac{\text{主频}}{\text{CPI} \times 10^6}$

5. 基准程序

   • 进行性能评价的程序