【计算机组成原理】概论
计算机
电子模拟计算机
数值由连续量来表示,运算过程也是连续的，精度和解题能力有限，应用范围较小
电子数字计算机
数值由离散的数值信息表示，精度高，数据存储量大，逻辑判断能力强，应用广泛
通用计算机
计算机系统的组成
计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。
- 硬件——计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件、各类光、电、机设备的实物组成。如主机、外设等。
- 软件——看不见摸不着，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。
数字计算机的硬件组成
以运算器为中心的计算机组成
以存储器为中心的计算机组成
计算机系统的组成
计算机的软件
硬件与软件的关系
硬件软化、软件硬化
计算机的分级结构
计算机工作过程
计算机的工作过程是程序（由一系列机器指令构成，事先由程序员根据
需要编写）执行的过程
取指 --> 分析 --> 执行
指令和数据放在内存中,从形式上看,它们都是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出的信息是指令流,流向控制器；而执行周期中从内存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器
冯·诺依曼计算机的特点
- 计算机由运算器、存储器、控制器、输入输出设备和总线五大部件组成。
- 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
- 指令和数据均用二进制数表示。
- 指令由操作码（做什么）和地址码（谁来做）组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器中的位臵。
- 指令在存储器中按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
- 机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
计算机系统的主要技术指标
机器字长（bit ＆ byte）
计算机能进行多少位二进制数的并行运算。决定运算器（加法器）位数 和 DR（内部寄存器）位数
机器字长越长，运算精度越高，数的表示范围越大。
数据通路宽度
数据总线一次所能并行传送信息的位数。
影响信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。
运算速度
每秒执行多少条指令。
采用“等效指令速度描述法”
- 等效指令执行时间 T=∑f_i·T_i (f_i 各类指令的使用频度 ；T_i 各类指令的执行时间)
- 等效运算速度V=\frac{1}{T}
| 加减法指令 | 乘除法指令 | 逻辑运算指令 | 传送指令 | 其他指令 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 使用频度（%） | 20 | 10 | 20 | 30 | 20 |
| 执行时间（ns） | 400 | 2500 | 300 | 200 | 250 |
CPI、MIPS和MFLOPS
用于衡量机器的运算速度
CPI表示每条指令执行所需的时钟数
CPI=\frac{执行某段程序所需的时钟周期数}{程序包含的指令条数}
IPS=\frac{f}{CPI}
MIPS表示每秒执行多少百万条指令
MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\times10^6}
MFLOPS表示每秒执行多少百万次浮点运算
MFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\times10^6}
eg.（2021）12. 计算器浮点运算速度为93.0146PFLOPS，这说明该
计算器每秒完成的浮点操作次数为（D）
A. 9.3\times10^{13} B. 9.3\times10^{15} C. 9.3千万亿次 D. 9.3亿亿次
GFLOPS （giga FLOPS ）每秒十亿（10^9）次浮点运算
TFLOPS（tera FLOPS）每秒万亿(=10^12)次浮点运算（1太拉）
PFLOPS（peta FLOPS）每秒千万亿(=10^15)次的浮点运算
EFLOPS（exa FLOPS）每秒百京(=10^18)次的浮点运算
ZFLOPS（zetta FLOPS）每秒十万京(=10^21)次的浮点运算
机器容量
指机器内部主存储器的容量
S=W·L（位/字节）(W:字数；L:字长)
提高计算机运行速度的主要途径
- 提高电子器件的工作速度
- 缩短器件之间的距离
- 增加每次传输信息量，即增加计算机的字长
- 增加指令执行的并行速度，即并行执行
- 增加计算机的存储容量