计算机系统概述 • Atri Website

冯诺伊曼架构#

”存储程序”的概念#

存储程序是为了解决早期 ENIAC 机时由人类手动接线来控制计算的问题。

其核心理念：将编译好的程序和初始数据存入计算机的主存储器，由计算机读取在主存中的首地址来执行程序的第一条指令，由此实现自动、连续的取指令并执行的操作。

架构图#

即由 Input 设备输入数据，将其传给运算器，由运算器决定存储、输出。

特点#

由五个部分组成：运算、控制、存储， IO
指令和数据以相同的形式存储于存储器：都是按照地址访问
指令和数据都以二进制形式存储（废话）
指令由操作码和地址码组成。操作码：加、减等操作
以运算器为中心

现代计算器架构#

现代计算器在冯架构上改进，为了提高性能，由以运算器为中心改为以存储器为核心。

输入设备直接访问存储器进行存储。

主存与辅存：

主存指的是计算机的内存，辅存指的是电脑的固态硬盘、机械硬盘。

辅存存储的是程序和代码，例如手机的 APP；而主存则是程序运行时，才会把程序加载到内存里执行。

计算机的功能部件#

存储器#

存储器内部主要部件为存储体、 MAR 和 MDR。

MAR 为地址寄存器，用于存放 CPU 想要访问的存储地址。MDR 为数据寄存器，用于存放存储体提供给 CPU 的对应地址的数据。

当 CPU 执行“读”操作时， CPU 会将想要读取数据的地址（二进制）写入 MAR 中，存储体会根据 MAR 中的地址，去寻找对应地址的数据，并将其复制到 MDR 中，最后 CPU 通过数据线路从 MDR 读取数据。

当 CPU 执行“写”操作时， CPU 会发送三个信号：1. 将要写入数据的地址发送给 MAR；2. 将要写入的数据发送给 MDR；3. 发送“写”信号给（主）存储体，告诉存储体本次操作为写操作。

存储体内部由一系列存储单元构成，每个存储单元存放一串二进制代码。我们称存储单元里存储的这行二进制代码为“存储字”（word）。word 的长度称为字长。每个存储单元都有对应的地址（数据在存储体内以地址存储）。

而在硬件上，存储单元由一系列存储元（电容）构成，每个存储元的数值以高电平代表 “1”，低电平代表 “0”

因此，MAR 位数反映了存储单元个数，MDR 位数等于字长

例如：MAR 存储为 “0010”，则对应存储体内的第 3 个存储单元。

字（word）没有明确的规定，它和存储器的硬件设计有关：如果存储单元长度是 8 bit，那么字长为 8 bit；如果是 16 bit，那么字长为 16 bit。

word 不等于 Byte

运算器#

运算器由图中结构组成，其中 ACC、MQ、X 都是用于存储操作数或运算结果的（相当于告诉 ALU 要做什么运算和用什么数运算），而 ALU 是实现运算的核心元件。

控制器#

控制器内部由以上三部分组成，其中核心元件是 CU。PC 是作为指针（存放指令地址）存在的。

完成一条指令（高级程序语言编译为汇编指令）的流程：

PC 从存储器里读取要执行程序的指令的地址，然后从存储器里取出这一条指令的内容（类似 CPU 的读操作）
然后将该指令存储到 IR 里，CU 再对该指令进行分析，理解指令意图
当 CU 分析完毕后，会控制其他部件相互配合，完成该指令

一般第一点和第二点合成“取指”阶段，第三点称为“执行”阶段。

计算机的工作流程#

CPU 一般由运算器和控制器两部分组成

当执行以上的高级程序时，将其编译成二进制文件，装入主存时如图中表格。

()代表寄存器里存储的值，例如 (PC)=0 代表 PC 里此时存储的值为 0

主存里前五个单元存储的是 C 语言编译后的指令，后四个单元存储的是数据（变量值）

M(MAR) 即 Memory（MAR），存储体里位于地址为（MAR）的数据

PC 值为 0，指向第一个存储单元
PC 将值（0）传送到 MAR 中，因此 MAR 值为 0
存储体将读取 MAR，将对应地址的数据传入 MDR
IR 通过数据线读取 MDR 的值
IR 把操作数传到 CU，CU 分析得到此为 “取数” 指令
CU 控制 IR，将 IR 中的地址码发送到 MAR
存储体读取 MAR，把（MAR）位置的数据发送到 MDR
然后 CU 控制数据线，将 MDR 的值传入运算器里的 ACC 中
最后 PC 计数器自动 “+1”

其中前 4 步称为 “取指令”，第五步称为 “分析指令”，后 3 步称为“执行”指令

由于 PC 自动 +1，所以此时 PC 指向第二条指令（主存里地址为 1）

（PC）=1，将其传入 MAR
存储器根据 MAR 的值，把对应地址的数据放入 MDR 中
IR 读取 MDR 的内容
IR 把内容中的操作数发送给 CU
CU 分析该指令含义，得知此为 “乘法” 指令
CU 控制 IR，把 IR 中存储的地址码发送给 MAR
存储器根据 MAR 的值，把对应地址的数据放入 MDR 中
CU 控制数据线，把（MDR）发送到运算器的 MQ
CU 控制数据线，把（ACC）送入 X 寄存器中
CU 通知 ALU 执行乘法运算，并将结果存入 ACC 中

同理，前四步是“取指令”，第五步是“分析指令”，后续为“执行乘法指令”。完成执行指令步骤后， PC 自动加一。

同理，不再赘述。

前五步：取指令、分析指令没有任何区别。

CU 控制 IR，将 IR 中的地址吗送到 MAR
CU 控制 ACC，将（ACC）送到 MDR
CU 通过数据线，向主存发送“写”信号，通知存储体将（MDR）写入地址为（MAR）的存储单元

总结

取指令、分析指令步骤没有区别，CU 需要分析完指令后才知道接下来要执行什么指令

总结#

常考红框内容

在现代计算机体系里，MAR、MDR 通常集成在 CPU 中。或者说，CPU 实际上由控制器、运算器和一些寄存器（MAR、MDR）构成。

计算机软件#

计算机软件分为应用软件和系统软件。系统软件为上层的应用软件提供基础服务，包括数据库服务、语言处理（转义、编译）服务、数据库管理系统、操作系统、程序调试服务等。

三种语言#

现代一般使用高级语言进行程序的编写，然后使用编译器将其翻译成汇编语言，再使用汇编器将汇编语言翻译成机器可执行的机器语言。机器语言可被机器直接执行，汇编和高级都不行。

显然，越接近底层（硬件），执行的效率越高。因此低级语言的执行效率一般都高于高级语言。

但有的编译器提供一步到位的编译程序：将高级语言直接翻译为机器语言。

有的语言使用解释器进行机器语言的翻译，如 python、JS 和 shell 脚本

解释程序和编译程序的异同：

相同：二者都是为了将高级语言翻译为机器语言程序

编译程序是将高级语言编写的源程序一次性全部翻译为机器语言，再执行机器语言程序（只翻译一次）

解释程序类似同生传译，将源程序的一条语句翻译成机器语言后立即执行，再翻译下一句高级语言（每次执行都需要翻译）

因此，编译程序的编译时间较长，但运行速度更快；解释程序反之。

软件和硬件的逻辑功能是等价的#

例如用户有一个需求：计算 985*6 = ？

该图指示了软件和硬件可实现同一个功能，但衡量的依据则为成本和性能。要想性能更好，那么则可在硬件上实现更多的逻辑，但成本自然更贵；如果想降低成本，则整个功能在软件上实现的部分更多。

ISA（instruction set architecture）是计算机软件和硬件的关键接口，也就是为软件提供硬件的 API 接口，规定了底层硬件支持哪些汇编指令。

计算机系统的层次结构#

“虚拟”：意思是指看起来程序编写好后不需要执行编译转换成机器语言，就可以在计算机上运行，实际上底层是仍然需要的。计算机领域的一个术语命名，无需多注意。

系统划分依据：

M1：使用机器语言执行指令的机器，即执行二进制转换后的机器语言
M0：对于一条机器指令，实际上又可以被分解为多条“微指令”。这些微指令由硬件直接执行。例如在前文的[计算机的工作流程](# 计算机的工作流程)中，一条存储于存储器中的二进制机器指令，实际上要经过多条微指令完成：取指令、分析指令、执行指令
M3：汇编语言机器用于将汇编程序翻译成机器语言程序，一般是直接与 M1 连接。
M2：但由于部分 M3 会调用到系统层级的服务（指令），因此在 M3 和 M1 直接又可以划分一层 M2，它向上提供一些系统服务的调用（给个别名“广义指令”）
M4：不必多说，使用编译器将高级语言翻译成汇编程序

从 C 语言到可执行文件#

重点：记得一个 C 文件编译成可执行文件的流程即可。

以该文件（hello.cpp）为例子：

#include<stdio.h>
#include<algorithm.h>
# PI = 3.14
int main(void):
{
    printf_s("%.2f",PI+2)
}

C 语言源程序经过编写后，会：

经过预处理器（cpp）对程序开头中的宏定义量，即以字符 # 的指令进行处理。此时它会将头文件的内容给完全复制到当前文件中，并且将程序里的所有使用了宏定义常量 PI 全部替换为数据 3.14。即 PI+2 变为 3.14 + 2 ，并得到 hello.i 文件，此时仍然是高级语言
hello.i 文件经过编译器处理，将高级语言翻译成一条条汇编语言，得到汇编语言程序 hello.s
汇编器对 hello.s 进行翻译，处理成机器可理解的二进制机器语言程序 hello.o （object）
由于文件里对一些其他库（文件）的函数做了引用（如 printf），因此其他库文件也同时会被翻译成目标模块（即 .o 文件），例如 printf.o
最后通过连接器（ ld ）将所有目标程序（模块）链接起来，构建成一个完整的机器语言程序，或者说可执行文件 hello.exe

该可执行程序最后存储于辅存（硬盘）中。

当需要执行该程序时，计算器会将其加载到主存中，供 CPU 进行访问，同时可通过 IO 设备和程序交互。

计算机性能指标#

存储器的性能指标：总容量#

MAR 的位数代表了可表示 $2^n$ 个地址序号，MDR 是字长，即一个存储单元的长度。因此

总容量 = 存储单元个数\ \times\ 存储字长\ bit

常用转换：

2^{10} 记为\ 1\ Kb， 2^{20} 记为\ 1\ Mb，2^{30} 记为\ 1\ Gb， 2^{40} 记为\ 1\ Tb，

CPU 的性能指标#

CPU 时钟周期#

机器内主时钟脉冲的宽度，是 CPU 工作的最小时间单位。即一串脉冲里，相邻高电平上升沿/下降沿的时间差。单位：Hz

主频（CPU 时钟频率）#

机器内部主时钟的频率，即时钟周期的倒数。对同一类计算器，主频越高，指令执行的每个步骤需要的时间越短，计算速度越快。

也可理解为每秒包含的时钟周期个数（脉冲个数）

CPI#

执行一条指令需要花费的时钟周期数。

执行一条指令的耗时 = CPI \times \text{CPU 时钟周期}

CPU 执行时间#

运行一个完整的程序需要花费的时间

CPU 执行时间 = \text{CPU 时钟周期数}/主频 = (指令条数 \times CPI)\div 主频

此处 K、M、G、T 等都是数量单位的缩写，例如 $3\times10^6 \text{FLOPS} = 3\times10^3\text{KFLOPS}$

示例：

CPU执行时间 = 指令条数 * CPI * 时钟周期(主频)

plaintext

系统整体的性能指标#

数据通路带宽解释如图。示例：假如有一个 16 bit 大小的包要传送，如果通路带宽为 8 比特，那么需要传两次（两个时钟周期），如果为 16 比特，只需要一个时钟周期即可完成

基准程序#

基准程序用于动态评测系统的整体性能，白话就是跑分软件，例如鲁大师。

思考题#

主频高的 CPU 一定比主频低的 CPU 快么#

未必。假设两个 CPU：A 的主频为 2GHz，B 为 1GHz，但是， A 的 CPI 为 10，B 的为 1。那么执行一条指令的耗时：A 为 5 ，B 为 1（CPI÷主频），显然 B 更快

A、B 两个 CPU 的 CPI 相同，那么 A 一定快么#

不一定，虽然 A 的主频更高，但是还需要看硬件上指令系统的实现：如果 A 不支持乘法指令， B 支持，那么 A 只能使用多次加法指令去等效 B 的乘法指令。显然 B 会更快

基准程序的跑分 score 越高（运行速度越快），说明机器越好么#

基准程序中的评测语句存在频率差异，有的更偏向测试显卡 gpu 的计算速度（图像处理速度），有的更偏向 cpu 的计算速度。由于权重不一样，因此结果仅供参考（笑）。

总结#

核心： CPU 中几个参量的计算