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概述

计算机组成原理的基本概念，可能会在选择题中考察，看到题目能够选出答案即可。

1: 计算机系统层次结构
2: 计算机性能指标

# 计算机系统概述

## 计算机系统层次结构

- 计算机系统的基本组成
- 计算机硬件的基本结构
- 计算机软件和硬件的关系
- 计算机系统的工作原理

## 计算机性能指标

1 - 计算机系统层次结构

⭐ 中优先级

选择题中频考点，需要熟悉下 冯诺依曼结构 和 计算机几个层次的语言。

计算机体系结构

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。硬件指的是有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称。软件指的是在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。

硬件和软件关系：硬件是计算机的物理部分，它提供了运行软件所需的基础设施，而软件则是 指令集，指导硬件如何工作以执行特定的任务。

计算机硬件

冯诺依曼结构

冯·诺依曼提出的 “存储程序” 的思想奠定了当代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机通称为 冯·诺依曼机，其特点如下：

计算机硬件系统由 运算器、存储器、控制器、输入设备 和 输出设备 5 大部件 组成。
指令和数据 以同等地位存储在 存储器 中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们。
指令和数据均用 二进制代码 表示，指令包含操作码和地址码，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。
以 运算器 为中心，其他部件配合其工作。

其中五大部件的具体功能如下：

运算器（ALU）：负责算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）。
控制器（CU）：从 存储器 中读取指令，解码并控制其他部件协同工作。
存储器（Memory）：存储程序指令和运算数据（如内存、硬盘）。
输入设备（Input）：接收外部数据（如键盘、鼠标）。
输出设备（Output）：将结果反馈给用户（如显示器、打印机）。

计算机软件

系统软件和应用软件

系统软件 (System Software)
- 定义：系统软件 是直接运行在硬件上的软件，为其他软件提供一个运行和执行的平台。
- 功能：
  - 管理和控制计算机硬件，使其能够与 应用软件 进行交互。
  - 提供 应用软件 开发的基础服务和接口。
应用软件（Application Software）
- 定义：应用软件 是构建在 系统软件 之上，为用户提供特定功能或执行特定任务的软件。
- 功能：
  - 解决用户的具体问题或满足特定需求。
  - 提供与用户的直接交互界面。

三个级别的语言

机器语言 (Machine Language):
- 定义：这是 计算机硬件 直接理解和执行的语言，它是用 二进制代码 表示的（通常是 0 和 1）。
- 特点：
  - 与特定计算机架构紧密相关。
  - 非常低级：每条机器代码对应硬件的一个操作。
  - 对于人类来说，阅读和编写是困难的。
汇编语言 (Assembly Language):
- 定义：这是一种低级编程语言，它使用符号和助记符（而非 二进制代码）来代表机器语言的指令。
- 特点：
  - 与特定计算机架构紧密相关。
  - 比机器语言更容易理解和编写。
  - 需要一个汇编器来将汇编代码转换为机器代码。
高级语言 (High-Level Language):
- 定义：这是为了更方便地编写和理解计算机程序而设计的语言。它们与特定的 硬件平台 相对独立。
- 特点：
  - 抽象度高，语法通常更接近自然语言或数学符号。
  - 可以在不同的 硬件平台 上运行，只需适当地编译或解释。
  - 需要一个 编译器 或 解释器 来将高级语言代码转换为机器代码（或执行）。

三种语言的关系可以参照下图理解：

计算机系统的工作原理

从源程序到可执行程序

预处理（Preprocessing）：预处理器 会执行宏替换、文件包含、条件编译等任务，仅限于某些语言，比如 C 和 C++。预处理后得到预处理后的源程序。
编译（Compilation）：编译器 将预处理后的源程序转换为 汇编语言代码。
汇编（Assembly）：汇编器 将汇编语言代码转换为 目标文件，其中包含机器代码以及重定位、符号等信息。
链接（Linking）：链接器 将一个或多个目标文件与所需的库文件链接在一起，生成一个可执行文件，并完成符号解析和地址重定位等工作。
加载和执行（Loading & Execution）：当你运行可执行文件时，操作系统的 加载器 会将程序装入内存，并完成必要的运行时准备。随后 CPU 从程序入口开始取指、译码并执行指令。

整个工具链流程如下图所示，每一阶段由对应的工具产出下一阶段的输入文件：

# 预处理：.c → .i
gcc -E hello.c -o hello.i

# 编译：.c/.i → .s
gcc -S hello.c -o hello.s

# 汇编：.s → .o
gcc -c hello.s -o hello.o

# 链接：.o → 可执行文件
gcc hello.o -o hello

# 加载并执行
./hello

需要注意的是，gcc 本身是一个 编译驱动程序，会自动调用预处理器、编译器、汇编器和链接器。因此，直接执行：

gcc -c hello.c -o hello.o

实际上会自动完成：

hello.c → 预处理 → 编译 → 汇编 → hello.o

2 - 计算机性能指标

🔥 高优先级

在选择题中会直接考查，也会在解答题间接考查，每个计算机性能指标都要深入掌握。

CPU 指标

时钟周期

时钟周期（Clock Cycle）是计算机中 CPU 执行指令的基本时间单位，由系统时钟产生的一个“高低电平”变化（通常称为脉冲）所定义。

计算机内部有一个 晶体振荡器，通常采用石英晶体，利用其压电效应产生规律的脉冲信号。石英晶体在施加电压时会发生机械振动，而机械振动反过来又会产生电压。通过在电路中合理配置电容和电感元件，晶体振荡器能够在特定频率上持续振荡，形成稳定的机器脉冲源。

原始的脉冲信号 是一个连续的 模拟信号，在计算机系统中，这个模拟信号通常不会直接使用。为了适配数字电路的需要，晶体振荡器 产生的 模拟信号 会经过整形和分频电路处理，转换为方波形式的 数字脉冲信号，用于同步计算机中各个硬件组件的操作。时钟脉冲信号 的宽度，即连续两个脉冲之间的时间间隔，称为 时钟周期。

注意

计算机中所有的设备都使用相同的时钟周期么？

不一定。某些组件（如 CPU 和内存等）需要同步工作，但不同的设备可能使用不同的时钟周期。

因此计算机内部的设备之间的同步方式可以分为同步和异步两种。同步设备 使用相同的时钟信号，而 异步设备 则使用不同的时钟信号或不使用时钟信号。

主频

主频（CPU Frequency），是指中央处理器（CPU）的时钟频率（Clock Frequency），表示 CPU 每秒可以执行多少个基本时钟周期。时钟周期 和主频 互为倒数：

Frequency = \frac{1}{Clock Cycle}

其单位通常是 MHz（兆赫）或 GHz（千兆赫）。它决定了 时钟振荡 的快慢：

1 Hz：每秒 $1$ 次 时钟振荡
1 MHz = $1 0^{6}$ 次/秒
1 GHz = $1 0^{9}$ 次/秒

比如，一个 3.0 GHz 的 CPU，主频是 3,000,000,000 Hz，意味着它每秒经历 30 亿 个 时钟周期。

指令执行指标

CPI

CPI（Cycle Per Instruction）：也称 指令周期，即一条指令所需要的平均 时钟周期。

下图展示了 指令周期、机器周期 和 时钟周期 三者的关联：

三者具有层级关系：时钟周期 < 机器周期 < 指令周期。

时钟周期 是硬件层面的最小时间单位。
机器周期 是由多个 时钟周期 组成，用于完成一个基本操作（如取指令、存储数据）。
指令周期 是由多个 机器周期 组成，用于完成一条指令的执行。

IPC

IPC（Instruction Per Cycle）：也称 每周期指令，即每个 时钟周期 执行的平均指令数，是 CPI 的倒数。

IPC = \frac{1}{CPI}

IPS

IPS（Instruction Per Second）：也称 每秒指令数，即每秒平均能够执行多少条指令。

IPS = \frac{主频}{CPI}

MIPS

MIPS（Million Instructions Per Second）：也称 每秒百万指令数，即每秒能够执行 多少个 百万的指令。

1 MIPS = 1 0^{6} IPS

浮点运算指标

FLOPS

FLOPS（Floating-point Operations Per Second，每秒浮点运算次数）是衡量计算机浮点运算性能的指标，它表示处理器每秒能执行的浮点运算次数，通常用来评估 GPU 或 AI 芯片 的性能。

MFLOPS（Million FLOPS）: 百万（ $1 0^{6}$ ）次每秒
GFLOPS（Giga FLOPS）: 十亿次（ $1 0^{9}$ ）每秒
TFLOPS（Tera FLOPS）: 万亿次（ $1 0^{12}$ ）每秒
PFLOPS（Peta FLOPS）: 千万亿次（ $1 0^{15}$ ）每秒
EFLOPS（Exa FLOPS）: 百亿亿次（ $1 0^{18}$ ）每秒
ZFLOPS（Zetta FLOPS）: 万亿亿次（ $1 0^{21}$ ）每秒

每次指标提升都是 $\times 1 0^{3}$ ，比如 $GFLOPS = 1 0^{3} MFLOPS$ 。

计算机指标

字长

字长（Word Length）指的是计算机在内部一次操作中所能处理的 二进制数字位数。例如，一个 32 位 的 CPU 一次可以处理 32 位 的数据。

数据通路带宽

数据通路带宽（Data Bus Width）是 CPU 和内存之间传输数据的宽度，通常以位为单位表示。比如，64 位 的数据总线意味着每个 时钟周期 内，可以传输 64 位 的数据。

主存容量

主存储器 能够存储信息的最大容量，通常用字节来衡量。

MAR 的位数反映了 可寻址范围 的最大值（不一定是存储器的实际容量），与 地址总线 的位数一致。

这里主要看清题目中的 按字节寻址 和 按字寻址，内存空间 / 寻址单位 = 可寻址范围，通过可寻址范围计算 MAR 的位数。

比如主存地址空间大小为 128KB= $2^{17}$ B，字长16 位（2B），按字寻址，则 MAR 位数为16。

吞吐量

吞吐量（Throughput）表示在 单位时间 内，系统可以完成的 任务数量。在计算机网络中，它可能表示 数据的传输速率；在计算中，它可能表示 每秒执行的操作数。