计算机组成原理【CO】Ch1 计算机系统概述

冯诺依曼机的特点

指令和数据以同等地位存储在存储器中，并按地址寻问
- 按存储单元的地址进行存取
指令和数据均以二进制代码表示
- CPU区分指令和数据的依据是指令周期的不同阶段。取值IF阶段是指令，译码ID阶段是数据
- 数据由指令的地址码给出
指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
早期冯诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据
- 现代是以存储器为中心
是单处理机
基本工作方式是控制流驱动方式[存储程序思想]
- 控制流驱动：从程序存储器中拿到操作指令后，再去数据存储器中取操作数进行计算；[在程序执行前, 指令和数据需预先存放在存储器中, 中央处理器可以从存储器存取代码]
- 数据流驱动：只要数据已经准备好，有关的指令可并行执行。

【※】计算机性能指标

主频和CPU时钟周期

主频：机器内部主时钟的频率，代表每秒执行多少个时钟周期数
- 值越大代表一个操作所需时间越少，CPU运行速度越快
CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数
- 是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期
时钟周期=1/主频，如主频为2.4GHz，则时钟周期=1/2.4G 秒

CPI

执行一条指令所需要的时钟周期数
CPI与系统结构，指令集，计算机组织有关，与时钟频率无关
- 时钟频率并不会影响CPI，但可加快指令的执行速度。
- 例如，执行一条指令需要10个时钟周期，则一台主频为1GHz的CPU,执行这条指令要比一台主频为100MHz的CPU快。
CPI=时钟周期数量/指令数量

CPU执行时间

运行一个程序所花费的时间
执行时间= 时钟周期数量×时钟周期

Ch1 计算机系统概述

冯诺依曼机的特点

指令和数据以同等地位存储在存储器中，并按地址寻问
- 按存储单元的地址进行存取
指令和数据均以二进制代码表示
- CPU区分指令和数据的依据是指令周期的不同阶段。取值IF阶段是指令，译码ID阶段是数据
- 数据由指令的地址码给出
指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
早期冯诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据
- 现代是以存储器为中心
是单处理机
基本工作方式是控制流驱动方式[存储程序思想]
- 控制流驱动：从程序存储器中拿到操作指令后，再去数据存储器中取操作数进行计算；[在程序执行前, 指令和数据需预先存放在存储器中, 中央处理器可以从存储器存取代码]
- 数据流驱动：只要数据已经准备好，有关的指令可并行执行。

【※】计算机性能指标

主频和CPU时钟周期

主频：机器内部主时钟的频率，代表每秒执行多少个时钟周期数
- 值越大代表一个操作所需时间越少，CPU运行速度越快
CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数
- 是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期
时钟周期=1/主频，如主频为2.4GHz，则时钟周期=1/2.4G 秒

CPI

执行一条指令所需要的时钟周期数
CPI与系统结构，指令集，计算机组织有关，与时钟频率无关
- 时钟频率并不会影响CPI，但可加快指令的执行速度。
- 例如，执行一条指令需要10个时钟周期，则一台主频为1GHz的CPU,执行这条指令要比一台主频为100MHz的CPU快。
CPI=时钟周期数量/指令数量

CPU执行时间

运行一个程序所花费的时间
执行时间= 时钟周期数量×时钟周期

MIPS

MIPS：每秒执行多少百万条指令 [Million instructions per second]
- $MIPS=指令条数/(执行时间×10^6)=主频/(CPI×10^6)$
MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算
- $MFLOPS = 浮点操作数次数/(执行时间 * 10^6)$
GFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点运算
- $GFLOPS = 浮点操作数次数/(执行时间 * 10^9)$
TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点运算
- $TFLOPS = 浮点操作数次数/(执行时间 * 10^{12})$
$PFLOPS = 浮点操作数次数/(执行时间 * 10^{15})$
$EFLOPS = 浮点操作数次数/(执行时间 * 10^{18})$
$ZFLOPS = 浮点操作数次数/(执行时间 * 10^{21})$
MGTPEZ

工作频率, 时钟频率之间的关系

假设总线传送一次数据是由N个时钟周期完成.

$1/ 工作频率$ ：表示每次完成数据传输所花费的时间
$1/ 时钟频率$ ：表示每次执行1个时钟周期所花费的时间

又因为每次完成传输数据都需要经过N个时钟周期来完成，根据时间关系所以有:

$工作频率 = 时钟频率 / N$

【※】各种字长的概念

指令字长

指令中包含二进制代码的位数，即一条指令的总长度
取决于：
- 操作码的位数（即多少操作）
- 操作数地址的长度（取决于主存的大小，如果容量为1GB的主存按字节寻址，每个操作数地址的长度都需要30位地址码）
- 操作数地址的个数（四、三、二、一、零地址等）。
为了硬件设计方便，指令字长一般取字节或存储字长的整数倍。
如果指令字长等于存储字长的2倍，那么需要2次访存，那么取指周期就等于机器周期的2倍。

机器字长

CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数
通常和ALU直接相关，由运算器内部寄存器决定【一般相等】。
反映了计算机的处理信息的能力
等于计算机的字长
是一个硬件概念

存储字长

是指一个存储单元存储的二进制代码(存储字)的长度。
通常和MDR位数相同。
一般情况下等于机器字长，也可以是机器字长的倍数

数据通路带宽

数据总线一次可以传递的位数，通常大于MDR位数

操作系统位数

OS 可以寻址的位数，是软件概念

机器字长、指令字长和存储字长，三者在数值上可以相等也可以不等，视不同机器而定。

【※】各种周期概念

在这里插入图片描述

指令周期

从一条指令的启动到下一条指令启动所经历的时间。
通常由多个机器周期组成。
CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间，即CPU完成一条指令的时间，称为指令周期。

时钟周期(节拍周期)

计算机主频周期，通常将一个时钟周期定义为一个节拍。
时钟周期是计算机操作的最小单位时间，由计算机的主频决定，是主频的倒数。
工作脉冲是控制器的最小时间单位，起定时触发作用，一个时钟周期有一个工作脉冲。

机器周期(CPU周期)

在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一个阶段完成一项工作，如取指令、存储器读、存储器写等，每一项工作称为一个基本操作。
完成一个基本操作所需的时间称为机器周期，也称为CPU工作周期或基本周期，通常等于取指时间(或访存时间)。
一般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期构成。

总线周期

CPU对存储器和I/O接口的访问通过总线实现。
把CPU通过总线对存储器或I/O接口进行一次访问所需时间称为一个总线周期。
总线的传输周期(总线周期)：一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段)通常由若干个总线时钟周期构成。

微指令周期

读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。
注意：微指令周期常取成和机器周期相等。

存取周期

存取周期指存储器进行连续两次独立的存储器操作（要么连续两次读操作，要么连续两次写操作)所需的最小间隔时间。
存取周期 = 存取时间 + 恢复时间
存取时间又称为存储器的访问时间，指启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需的全部时间。
存取时间分为读出时间和写入时间两种。

CPU访存的过程

CPU通过总线把数据地址送给存储器。
存储器得到地址后启动存储器即准备数据。
CPU输出控制信号或其他操作。
数据准备完毕【此过程完成数据准备即一个存储周期】，再由总线送回CPU。

存储周期与总线周期

一个存储周期是对存储器的两次存取操作的时间间隔，在这个时间间隔里面可以包含多个总线传输周期，因为一次存取操作不一定读取一个数据总线宽度的数据，所以一个存取周期可以包含多个总线传输周期。
所以，通常存储周期 > 总线周期，CPU不能连续存取数据，必须等待。
为提高传输效率，由此也引出了两个概念：
- 总线突发传输方式：即总线可以在一个总线周期内传输一个地址和一批地址连续的数据，代替常规传输的一个地址一个数据。
- 多体并行存储器：存储器采用多个存储模块组成，以流水线方式准备数据，从而提高存储带宽。

【※】各种线的条数的确定

地址总线线数 —> 可寻址的范围 —> 存储器最大容量【存储单元的个数】—>一般和MAR的位数一样
数据总线线数 —> 一次可取的数据位数 —> MDR的位数 —> 运算器一次处理的位数 —>运算器寄存器位数—>通常与存储字长相等 —>n位CPU的n
控制总线线数 —> 一次可并行传送的控制信息位数
IO线数 —> 与外设通信的并行程度

【※】从源文件到可执行文件

三种程序转换图

在这里插入图片描述

三个语言：
- 机器语言：是计算机唯一可以直接识别和执行的语言
- 汇编语言：由汇编程序(系统软件)汇编成为机器语言后，才能执行
- 高级语言：
  - 如C，C++，Java
  - 一种是经过编译程序，编译得到汇编语言，然后经过汇编操作，得到机器语言，然后再执行【高级语言->汇编语言->机器语言】
  - 一种是由高级语言程序直接翻译成机器语言（边翻译边执行，不生成可执行文件）【高级语言->机器语言】
三种程序:
- 汇编程序(汇编器) :将汇编语言程序翻译为机器语言程序。
- 编译程序(编译器) :将高级语言源程序一次翻译成目标程序(汇编语言或机器语言)
- 解释程序(解释器) :将源程序的一条语句翻译成对应的机器目标代码并立即执行，并不形成目标程序。
预处理阶段：预处理器(cpp) 根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序,得到另一个C程序，通常以i作为文件扩展名。
编译阶段：编译器(ccl) 将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s,它包含一个汇编语言程序。
汇编阶段：汇编器(as)将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。
链接阶段：hello程序调用了printf函数，printf函数存在于一个名为prntf.o的单独的一个预编译好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中。链接器(ld) 就负责处理这种合并。结果得到hello文件,它是一个可执行目标文件，可以被加载到内存中，由系统执行。