第一讲 计算机系统概述

2025-10-14 14:39:04

第一讲 计算机系统概述什么是计算机

通用电子数字计算机

通用: 不是一种专门设备

电子: 采用电子元器件

数字: 信息采用数字化形式表示

计算机系统分为软件部分和硬件部分

组织与结构

组织: 对编程人员不可见

操作单元及其相互连接

包括控制信号, 存储技术等等

结构: 对编程人员可见

直接影响程序逻辑执行的属性

包括指令集, 表示数据类型的位数等等

冯诺依曼结构基本组成

处理单元

控制单元

存储器

输入设备

输出设备

存储程序的思想: 指令和数据地位相同, 形式相同, 都以二进制存储在存储器中且能用地址访问

摩尔定律单芯片上所能包含的晶体管数量每年翻一番(1965-1969) /1970年起减慢为每18个月翻一番集成度不断提高

计算机性能性能评价标准:

CPU的速度

存储器的速度和容量

I/O的速度和容量

……

计算机设计的主要目标是提高CPU的性能

CPU性能 (会涉及计算)时钟频率/ 时钟速度（单位：Hz）：计算机在单位时间内（例如1秒钟）执行最基本操作的次数时钟周期/ 周期时间（单位：s）：执行每次最基本操作的时间

CPI: 指令执行平均所需的周期数

CPI = Σ(各类型指令的CPI * 各类型指令条数) / 总指令条数

这样一个程序的处理时间可以表示为T = 总指令条数 * CPI * 时钟周期

MIPS: 每秒百万条指令MIPS = 总指令条数 / (T * 10^6) = 时钟频率 / (CPI * 10^6)

MFLOPS: 每秒百万条浮点操作只计算浮点数操作的指令

基准程序: 使用一系列基准程序来测量系统的性能算数平均值: RA = ΣR / m调和平均值: RH = m / Σ(1/R) 适用于数值分布不均匀，特别是当数值中有极端值（特别小的值）时

性能涉及基本原则

大概率事件优先原则

Amdahl定律

加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性比例

性能增加的递减规则：如果仅仅对计算机中的一部分做性能改进，改进越多，系统获得的效果越小

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