1.1冯·诺依曼结构计算机工作原理及层次结构分析

一、冯诺依曼计算机的工作原理

2、总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息的位数

3、主存容量与存储带宽

二、时间指标

1、主频f/时钟周期T ；外频、倍频

2、CPI（Clock cycles Per Instruction）

3、MIPS（Million Instructions Per Second）

1.1冯·诺依曼结构计算机工作原理及层次结构分析

一、冯诺依曼计算机的工作原理

存储程序：将程序存放在计算机存储器中（存储系统的构建与快速访问）
程序控制：按指令地址访问存储器并取出指令，经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算机的控制，完成指令的功能。（指令系统、控制器设计等）

二、冯诺依曼计算机的组成（硬件+软件）

1.硬件系统—总体图

主机：CPU（运算器、控制器）、内存储器
外设：输入输出设备、外存储器
总线：控制线、数据线、地址线

（1）运算器——“算盘”

基本结构：ALU（算术逻辑运算部件）——可传送信息、寄存器、连接通路
计算机常采用二进制数运算
采用二进制运算的优势：

1. 二进制运算规律十分简单 ——> 在电子器件中比较容易实现

2.技术上容易实现 ——> 用双稳态电路表示二进制数字0和1是十分容易的

3.可靠性高 ——> 二进制中只使用0和1两个数字，传输和处理时不易出错

4.抗干扰能力强 ——> 每位数据只有高低两个状态，当受到一定程度的干扰时，仍能可靠地分辨出它是高还是低

5.与逻辑量相吻合 ——> 二进制数0和1正好与逻辑量“真”和“假”相对应

二进制&十进制共性所在：

1.在运算中，位数越多，计算精确度越高。（理论上讲，数位可以任意多。）

2. 位数越多，所需电子器件越多 ——> 运算器长度一般为：8位、16位、32位、64位

运算器结构示意图：

（2）存储器——“纸”——采用半导体器件

基本功能：存储原程序、原数据、运算中间的结果。
工作原理：按地址访问，读/写数据。——>
工作模式：读/写
存储单元——“宿舍”——“保存一个数的16个触发器”
地址——“宿舍号”——“每个存储单元的编号”
存储位元——“每个床位”
存储容量——“存储单元的总数”
外存储器——磁盘存储器、光盘存储器（存储容量更大）
内存储器——半导体存储器（无驱动、安上就可以用）网卡、显卡的成功安装都需要驱动
分类内存（RAM、ROM）
RAM（Random Access Memory）：随机存取存储器（主存），是与CPU直接交换数据的内部存储器；在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。
ROM（Read-Only Memory）：只读存储器，只能读出事先所存数据；其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。

（3）控制器——“大脑”——从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。

控制信号的形式：电平信号、脉冲信号
产生控制信号的依据：指令、状态、时序
产生控制信号的形式：微程序、硬布线

1.计算程序：

指令：每一个基本操作
计算程序：解算某一问题的一串指令序列

2.指令的形式

指令：（操作码【指出指令所进行的操作】、地址码【源、目的地】）——（操作的性质、操作数的地址）【均为二进制表示】
指令系统：一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成该计算机的指令系统。
存储程序：指令序列存放在存储器中。
程序控制：控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务。

冯诺依曼结构：数据和指令存放在一个存储器中

——冯诺依曼结构特点：

计算机五大部件：运算器、控制器、存储器、输入、输出设备。
指令和数据以同等地位存放在存储器中，并按地址寻访。
指令和数据均由二进制表示
指令（操作码、地址码）——（表示操作的性质、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，指令按顺序执行，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的传送通过运算器完成。

哈佛结构：数据和指令分别存放在两个存储器中（更快）

3.控制器的基本任务——取指令，执行指令

【详】：按照计算机程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令序列放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令..........以此类推

取指周期：取指令的一段时间
执行周期：执行指令的一段时间
指令在存储器中顺序存放原因：每取出一条指令，控制器中的指令计数器+1，为取下一条指令做准备。
中央处理器（无存储器）；中央处理机（CPU）：运算器、控制器、+存储器

4.指令流和数据流

Q：控制器如何区分数据字和指令字呢？

A：数据流和指令流

1B（byte，字节）= 8 bit
一个字（W）至少由一个以上的字节组成
字-字节-位
字长：组成一个字的二进制位数
计算机使用的信息有指令、数据，即计算机字可以代表指令、数据。
数据字：某字代表要处理的数据
指令字：某字为一条指令
控制器完全可以区分数据字和指令字（如下）
指令流：取指周期中从内存读出的信息流（内存 ——> 控制器）
数据流：执行周期中从内存读出的信息流（内存 ——> 运算器）
某些指令进行过程中需要2次访问内存——取指令、取数据

（4）适配器与输入/输出设备

输入/ 输出设备=外围设备（机电结构、全电子式的......）
输入输出设备不直接与高速工作的主机相连，而是通过适配器。
适配器=转换器：来平衡不同部件之间速度的差异；可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接受信息。
系统总线（skeleton）：是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路；实现计算机在各个系统部件之间传送地址、数据和控制信息的操作。

2、软件系统

源程序：用算法语言编写的应用程序
编译程序：用机器语言编写的——把源程序翻译成目的程序
目的程序：不可独立运行，需要运行系统这样的辅助程序来帮助
编译器：编译程序+运行系统
数据库管理系统=数据库+数据库管理软件

3、硬件与软件系统的关系

相互依存
逻辑等效性
协同发展

三、计算机的层次结构

软件硬件分界线：（如图）是指令操作硬件的入口，指令的格式及其指令的设计与硬件相关联！

计算机系统的层次结构图：

计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。

1.2计算机系统性能评价

计算机的性能指标主要是：CPU性能指标、存储器性能指标、I/O吞吐率

一、非时间指标

1、机器字长：指机器能一次处理的二进制数

【运算器结构示意图】

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

2、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
有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致

8086、80286、80386内外数据总线等宽（Intel 8086是一个由Intel于1978年所设计的16位微处理器芯片）

8088、80386SX 外部总线宽度8位内部总线宽度 16位

Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）

3、主存容量与存储带宽

主存容量：是指一台计算机主存所包含的存储单元总数
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）
影响存储带宽的指标：数据位宽和数据传输速率

4、吞吐量：一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量

5、响应时间

6、利用率

二、时间指标

1、主频f/时钟周期T ；外频、倍频

如：Pentium 4 2.4G CPU主频 2400M = 133M (外频) × 18 (倍频)

主频f ：CPU内核工作的时钟效率（CPU Clock Speed）— 主频越高，CPU的运算速度就越快 / 主频不等于处理器一秒钟执行的指令条数，因为一条指令的执行可能需要多个时钟周期 / 在有兼容性的前提下，主要看其速度，而主频越高，字节越长，CPU速度就越快
时钟周期T：节拍周期，是计算机中最基本、最小的时间单位；在一个时钟周期T内，CPU仅完成一个基本的动作。
f和T的关系：f越高，T越小。
外频：指CPU(内存)与主板之间同步的时钟频率(系统总线的工作频率)
倍频：CPU主频与外频之间的倍数
主频 = 外频 × 倍频