计算机组成原理复习：计算机系统概述

1. 计算机系统概述

1.1 计算机系统的层次结构

（1）
硬件上，计算机系统可以分为五大功能部件：
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

将围绕其工作原理、逻辑实现、设计方法以及相互连接构成整机的方法展开

在典型的冯诺依曼机中，数据线路与控制指令的传导方向如下图所示：

需要注意的是，现再运算器和控制器统一集成到了CPU内，即只剩下存储器和CPU两部分

关于五类硬件组成的功能：
运算器：完成数据的暂存、变换、算数运算和逻辑运算功能
控制器：完成对计算机各部件协同运行的指挥控制，保证了指令按照预定的次序和步骤执行
存储器：存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器可以与CPU、输入输出设备交换信息
输入设备：输入袁术数据和处理这些数据的程序。输入的信息包括数字字母和控制符等
输出设备：输出计算机的处理结果。输出的信息包括数字字母表格和图形

冯诺依曼机的特点：

• 硬件上由运算器控制器存储器输入输出设备组成
• 以二进制代码表示程序和数据
• 采用存储程序的工作方式：程序和数据事先放在同一个存储器中，由指令组成的程序可以修改
• 指令在存储器中按照执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按照顺序递增
• 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器
• 冯诺依曼计算机的关键思想：存储程序，并且按照地址顺序执行

（2）软件上
按照面向对象的不同，可以分为系统软件和应用软件

• 系统软件：面向系统，用于管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正常高效运行
• 应用软件：面向用户，根据用户的特殊要求编制的应用程序，这类软件通常实现用户的某类要求
  

1.2 计算机性能指标

基本字长：指计算机内，表示一个操作数或一条指令所用的基本二进制位数

• 基本字长是CPU一次能够处理的数据宽度，与加法器，寄存器的位数和内部数据总线的宽度有关
• 字长标志着精度，字长越长，运算精度越高
• 字长影响计算机的处理能力和运算性能
• 字长通常是字节的整数倍，如2,4,8等
  

运算速度：反映了计算机运算的快慢，对运算速度的衡量可以有几种不同方法

• 根据不同类型的指令在计算过程中出现的频率，乘以不同的系数获得统计平均值，即平均运算速度
• 直接给出每条指令的实际执行时间
  注，以MIPS和MFLOPS等，作为计量单位来衡量运算速度

几个相关概念：
响应时间（执行时间）：从事件开始到事件结束的时间
主频 Fc：每台计算机内部有一个不断产生固定频率时钟脉冲的装置，叫做主时钟。CPU工作主时钟的频率通常叫做机器的主频，是衡量一台计算机速度的重要参数。
CPU时钟周期：CPU主频的倒数Tc
CPI（Cycle Per Instruction）：执行一条指令所需要的平均时钟周期数
CPU执行时间：（总时间等于程序中指令总数In执行一条指令所需的时钟周期数CPICPU时间周期Tc）

$$MIPS=\frac{I_N}{T_{CPU}\ast 10^6}=\frac{I_N}{I_N\ast CPI\ast T_C\ast 10^6}=\frac{F_C}{CPI\ast 10^6}$$

第三问的其他解法：
为了得到每条指令需要的时钟周期数，可以使用每条指令的执行时间除以机器的周期长度，如题目；
也可以使用一秒钟中的周期数目8M除以一秒钟能够解决的指令数目 0.4 MIPS

需要注意的是，在第四问中，提到了：
若机器的片内逻辑电路相同，则CPI（每条指令所需的时钟周期数相同，即不同机器的差别在于CPU主频）