计算机系统概述与性能指标

本节导读

从这一节起进入计算机组成原理。大纲的第一章「计算机系统概述」有两部分：计算机系统层次结构（基本组成、硬件的基本组成、软件和硬件的关系、工作原理，包括「存储程序」工作方式、高级语言程序与机器语言程序之间的转换、程序和指令的执行过程）；计算机性能指标（吞吐量、响应时间，CPU 时钟周期、主频、CPI、CPU 执行时间，MIPS、MFLOPS 等）。

这一节要会的计算主要是性能指标：由 CPI 和主频算执行时间、MIPS。学完你应该能说清一条指令在 CPU 和主存之间怎样流动，并能熟练做性能计算。

计算机系统的层次与基本组成

计算机系统由硬件和软件组成。从用户看下去是多级层次：高级语言级、汇编语言级、操作系统级、机器语言（指令系统）级、微程序级（或硬连线逻辑）。下层为上层提供服务，上层看不到下层的细节。软件和硬件在逻辑功能上是等价的：同一功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现，区别在速度、成本和灵活性。

冯·诺依曼结构的计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成，核心是「存储程序」：

• 指令和数据都用二进制表示，事先存放在存储器中，按地址访问；
• 指令由操作码和地址码组成；
• 计算机按程序计数器的指示，自动地逐条取出指令执行，不需要人干预。

早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，现代计算机以存储器为中心，输入输出设备可以直接与存储器交换数据。

硬件的主要部件

部件	主要组成	作用
运算器	算术逻辑单元 ALU、累加器 ACC、乘商寄存器 MQ、通用寄存器、程序状态字 PSW	做算术和逻辑运算，保存运算结果的状态
控制器	控制单元 CU、指令寄存器 IR、程序计数器 PC	取指令、译码、发出控制信号
主存储器	存储体、地址寄存器 MAR、数据寄存器 MDR	存放程序和数据

运算器和控制器合称 CPU。MAR 的位数决定能访问多少个存储单元，MDR 的位数一般等于存储字长，所以主存容量（按字编址时）是 $2^{\text{MAR 位数}} \times \text{存储字长}$2MAR 位数×存储字长。机器字长是 CPU 一次能处理的二进制位数，一般等于通用寄存器的位数。

程序的转换与执行

高级语言程序要转换成机器语言才能执行。以 C 语言为例：源程序 hello.c 经预处理（展开 #include、宏）得到 hello.i；编译得到汇编语言程序 hello.s；汇编得到可重定位目标文件 hello.o；链接（把多个目标文件和库函数合并、确定地址）得到可执行文件。解释型语言则由解释程序逐条翻译并立即执行，不生成目标程序。

一条指令的执行分三步：取指令、分析（译码）、执行。以「取数」指令为例：

阶段	数据的流动
取指令	PC 的内容送 MAR；主存按 MAR 读出指令送 MDR；MDR 送 IR；PC 加 1（指向下一条）
分析	IR 中的操作码送 CU 译码
执行	IR 中的地址码送 MAR；主存读出数据送 MDR；MDR 送 ACC

指令和数据都放在主存里，形式上都是二进制串；取指阶段从主存读到的送 IR 当指令，执行阶段读到的才当数据处理。

性能指标

吞吐量是单位时间内处理的请求（作业、事务）数量；响应时间是从提交请求到得到结果的时间。两者不总是同时改善：增加处理器个数可以提高吞吐量，单个任务的响应时间却未必缩短。

CPU 性能的几个量：时钟周期 T 是 CPU 最小的时间单位；主频 $f = \dfrac{1}{T}$f=T1​；CPI 是执行一条指令平均需要的时钟周期数（各类指令的 CPI 按出现频率加权平均）。