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第一讲 计算机系统概述

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2025/02/18

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

  1. 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
  1. 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

  1. 处理单元
  2. 控制单元
  3. 存储器
  4. 输入设备
  5. 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

易错题目

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CATALOG
  1. 1. 第一讲 计算机系统概述
    1. 1.1. 组织与结构
    2. 1.2. 冯诺依曼结构
    3. 1.3. 摩尔定律
    4. 1.4. 计算机性能
      1. 1.4.1. CPU性能 (会涉及计算)
      2. 1.4.2. 性能涉及基本原则
    5. 1.5. 易错题目