Revisão dos Princípios de Organização de Computadores: Uma Visão Geral de Sistemas de Computadores

1. Visão geral do sistema de computador

1.1 Hierarquia de sistemas de computador

(1)
Em termos de hardware, o sistema de computador pode ser dividido em cinco componentes funcionais:
unidade aritmética, controlador, memória, dispositivo de entrada, dispositivo de saída

Será desenvolvido em torno de seu princípio de funcionamento, implementação lógica, método de design e método de interconexão para formar toda a máquina

Em uma máquina típica de von Neumann, o sentido de condução das linhas de dados e instruções de controle é mostrado na figura abaixo: Note-se

que a unidade aritmética e o controlador são integrados à CPU, ou seja, restam apenas a memória e a CPU .

Em relação às funções dos cinco tipos de hardware:
Calculadora: funções completas de armazenamento temporário de dados, transformação, operação aritmética e operação lógica
Controlador: completa o comando e controle da operação coordenada de vários componentes do computador, garantindo que as instruções sejam executadas de acordo com a ordem e etapas pré-determinadas
Memória: armazena programas e dados, e é o centro de armazenamento e troca de várias informações de computadores. A memória pode trocar informações com a CPU e dispositivos de entrada e saída
Dispositivos de entrada: programas que inserem dados Yuan Shu e processam esses dados. As informações de entrada incluem números, letras e símbolos de controle, etc.
Dispositivo de saída: saída dos resultados do processamento do computador. As informações de saída incluem tabelas e gráficos alfanuméricos

Características das máquinas von Neumann:

• O hardware é composto de dispositivos de entrada e saída de memória do controlador da unidade aritmética
• Representar programas e dados em código binário
• O modo de trabalho do programa armazenado é adotado: o programa e os dados são colocados na mesma memória com antecedência, e o programa composto de instruções pode ser modificado
• As instruções são armazenadas na memória de acordo com a ordem de execução, e o contador de instruções indica o endereço da unidade da instrução a ser executada, que geralmente é incrementada na ordem
• A máquina está centralizada na calculadora e a transmissão de dados passa pela calculadora
• A ideia-chave do computador von Neumann: armazenar programas e executá-los na ordem do endereço

(2) Software
De acordo com diferentes orientados a objetos, pode ser dividido em software de sistema e software de aplicativo

• Software do sistema: orientado ao sistema, usado para gerenciar todo o sistema do computador, alocar recursos do sistema de forma razoável e garantir a operação normal e eficiente do computador
• Software aplicativo: programa aplicativo orientado ao usuário, compilado de acordo com os requisitos especiais do usuário; esse tipo de software geralmente atende a certos tipos de requisitos do usuário
  

1.2 Indicadores de desempenho do computador

Comprimento básico da palavra: refere-se aos dígitos binários básicos usados ​​para representar um operando ou uma instrução em um computador

• O comprimento básico da palavra é a largura de dados que a CPU pode processar de uma só vez, que está relacionada ao somador, ao número de bits no registrador e à largura do barramento de dados interno
• O comprimento da palavra marca a precisão, quanto maior o comprimento da palavra, maior a precisão da operação
• O comprimento da palavra afeta o poder de processamento e o desempenho de computação do computador
• O comprimento da palavra é geralmente um múltiplo inteiro de bytes, como 2, 4, 8, etc.
  

Velocidade de computação: reflete a velocidade da computação do computador e existem várias maneiras diferentes de medir a velocidade da computação

• De acordo com a frequência de diferentes tipos de instruções no processo de cálculo, multiplicado por diferentes coeficientes para obter uma média estatística, ou seja, a velocidade média de operação
• Forneça diretamente o tempo real de execução de cada instrução
  Nota, use MIPS e MFLOPS como a unidade de medida para medir a velocidade de operação

Vários conceitos relacionados:
Tempo de resposta (tempo de execução): O tempo desde o início do evento até o final do evento
Frequência principal Fc: Cada computador possui um dispositivo que gera continuamente pulsos de clock em uma frequência fixa, chamada de clock principal. A frequência do clock principal da CPU é geralmente chamada de frequência principal da máquina, que é um parâmetro importante para medir a velocidade de um computador.
Ciclo de clock da CPU: o recíproco da frequência principal da CPU Tc
CPI (Ciclo por instrução): o número médio de ciclos de clock necessários para executar uma instrução
Tempo de execução da CPU: (o tempo total é igual ao número total de instruções no programa Em o número de ciclos de clock necessários para executar uma instrução CPI CPU período de tempo Tc)

$$MIPS=\frac{{EU}_{}}{T_{CP}\ast 10^6}=\frac{{EU}_{}}{{EU}_{}\ast CPI\ast T_{}\ast 10^6}=\frac{F_{}}{CPI\ast 10^6}$$

Outras soluções para a terceira questão:
Para obter o número de ciclos de clock necessários para cada instrução, você pode dividir o tempo de execução de cada instrução pela duração do ciclo da máquina, como no título; você também pode usar o número
de ciclos em um segundo dividido por 8M Número de instruções que podem ser processadas por segundo 0,4 MIPS

Note-se que na quarta questão é mencionado que
se os circuitos lógicos on-chip da máquina forem os mesmos, o CPI (o número de ciclos de clock necessários para cada instrução é o mesmo, ou seja, a diferença entre máquinas diferentes reside na frequência da CPU)