主要内容

介绍运算器、控制器、存储器结构、工作原理、设计方法及互连构成整机的技术。

主要内容：

◼ 数值表示与运算方法

◼ 运算器的功能、组成和基本运行原理

◼ 存储器及层次存储系统

◼ 指令系统

◼ CPU功能、组成和运行原理

◼ 流水线

◼ 系统总线

◼ 输入输出系

 前置知识

• C语言程序设计
• 数值逻辑：组合电路、同步电路概念、寄存器传输、有限状态机
• 汇编语言程序设计：能看懂指令即可
• Verilog硬件描述语言：作为实验工具（可选）

冯诺依曼体系结构原理

• 采用二进制
• 存储程序：将程序存放在计算机的存储器中
• 程序控制：按指令地址访问存储器并取出指令，经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算的控制，完成指令的功能。
• 冯·诺伊曼机体系（延续至今）

•         主机：CPU （运算器 + 控制器）、内存
•         总线：地址线、数据线、控制线 
•         外设：输入设备、输出设备、外存储器

        运算器

        功能：执行算数运算、逻辑运算。

        基本结构：ALU (Arithmetic Logical Unit) 、寄存器、连接通路

        控制器 

        功能：产生指令执行过程所需要的所有控制信号（电平信号、 脉冲信号），控制相关功能部件执行相应操作。

        产生信号的依据：指令、状态、 时序

        产生方式：微程序、 硬布线。

存储器 

        功能：存储原程序、 原数据、运算中间结果。

        工作模式：读/写

        工作原理：按地址访问， 读/写数据。

        容量➡地址线数量

        1K➡10

        1M ➡ 20

        1G ➡ 30

 输入/输出设备

        输入设备：向计算机输入数据(键盘、鼠标、网卡、扫描仪等)

        输出设备：输出处理结果(显示器、声卡、网卡、打印机等)

软件系统

• 可运行的思想和内容的数字化
• 思想：算法、规律、方法---程序表达
• 内容：图形、图像、数据、声音、文字等被处理的对象
• 软件的表现形式: 程序和数据（以二进制表示的信息）
• 软件的核心: 算法

        分类

1.         系统软件：如操作系统、网络系统和编译系统
2.         应用软件：字处理软件、游戏软件等
3.         支持软件：开发工具、界面工具等

        计算机层次结构

        硬件与软件系统间的关系

                相互依存、 协同发展、 逻辑等效性（某些功能软硬都可实现）

                软硬分界线：分界线即软、硬件的接口，是指令操作硬件的入口；

计算机系统性能评价

      非时间指标

                机器字长

                        指机器一次能处理的二进制位数

• 由加法器、寄存器的位数决定；
• 一般与内部寄存器的位数相等(字长)；
• 字长越长，表示数据的范围就越大，精确度越高；
• 目前常见的有32位和64位字长。

                总线宽度

                        数据总线一次能并行传送的最大信息的位数 

• 一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。
• 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致：
• 8086、80286、80386内外数据总线等宽；
• 8088、80386SX 外部总线宽度8位内部总线宽度 16位；
• Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流 水线）

                主存容量与存储带宽 

        主存容量：是指一台计算机主存所包含的存储单元总数。

        存储带宽： 指单位时间内与主存交换的二进制信息量， 常用单位B/s（字节/秒）。(影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率)。

        时间指标 

                主频f/时钟周期T , 外频、倍频

• 主频f：CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号振荡的速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系
• 时钟周期T：也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作
• f 与T的关系：互为倒数， f 越高，T就越小 (f =100MHz时T=10ns， f =1GHz时 T=1ns)。
• 外频：CPU(内存)与主板之间同步的时钟频率(系统总线的工作频率)；
• 倍频：CPU主频与外频之间的倍数；
• 主频 = 外频 × 倍频 比如：Pentium 4 2.4G CPU主频 2400M = 133M (外频) × 18 (倍频)

        CPI (Clock cycles Per Instruction) 

         执行一条指令(平均)需要的时钟周期数(即T周期的个数)，有单条指令CPI 、一段程序中所有指令的CPI、指令系统CPI 等

        CPI = 程序中所有指令的时钟周期数之和 / 程序指令总数 = (程序中各类指令的CPI ×程序中该类指令的比例)

        IPC (Instruction per Clock)：每个时钟周期内执行的指令条数 (并行)

        实际上频率和IPC在真正影响CPU性能。

        准确的CPU性能判断标准应该是：（由英特尔提出并被业界广泛认可）

                CPU性能=IPC(CPU每一时钟周期内所执行的指令多少)×频率(MHz时钟速度)

        MIPS (Million Instructions Per Second）

每秒钟CPU能执行的指令总条数 (单位：百万条/秒)

        MIPS = 指令条数 / （执行时间×） 

                  = 指令条数 / （所有指令CPU时钟周期数之和 / f × ） 

                  = f  / （CPI × ） 

                CPU时间 

                CPU时间 = 程序中所有指令的时钟周期数之和×T

                                = 程序中所有指令的时钟周期数之和 / f 

                执行一段程序所需的时间：CPU时间+ I/O时间 + 存储访问时间+ 各类排队时延等。

                计算CPU时间：

                或者由MIPS = 指令条数 / （执行时间×） 得：程序执行时间t = 指令数量 / （MIPS ×）

计算机性能测试

        测试的基本原理

•         计算机系统中配置了大量的传感器和寄存器，系统运行的相关参数保存在对应的寄存器中；
•         通过图形 / 数据方式显示获取的状态数值；
•         测试程序通过读取相应寄存器的值得到系统运行的状况；

        CPU测试工具

•         CPUmark : 综合CPU测试，包括系统存储，浮点运算和逻辑运算；
•         SysID : 测试CPU电压，运行频率，L1 、L2 Cache等；
•         Hot CPU Tester :可测试机器稳定性，尤其是超频后的稳定性，找出 CPU 的最高超频点或缺陷，还可检测CPU的详细性能指标并给出量化的分数值。

        显卡测试工具

•         3DMark :除衡量显卡性能外，已渐渐转变成一款衡量整机性能的软件；
•         N-Bench2: 重点测试CPU以及系统图形性能；
•         FurMark：通过皮毛渲染算法来衡量显卡的性能及其稳定性。

        硬盘测试工具 

•         Hard Disk Speed : 硬盘测速软件；
•         Disk Benchmark : 通过对不同大小的数据块对磁盘读/写速度的影响， 检测硬盘、U盘、 存储卡及其它可移动磁盘的读/写入速率 ；
•         iometer : 可被配置为基准测试程序的磁盘和网络I/O的负载，可测试磁盘和网络控制器的性能、总线带宽和时延等参数；
•         HDD Temperature Pro: 硬盘温度探测软件。 

        内存测试工具 

•         CTSPD :选择主板厂商及型号后可详细测试内存的信息，包括:CAS latency (列地址选通时延)、RAS to CAS delay(RAS到CAS的相对延迟时间)、RAS precharge Trp (RAS预充电时间)、DIMM内存生产厂商和DIMM编号等信息。
•         Memory Speed: 通过读写不同大小的块状数据来测试内存的性能；
•         Memory Transfer Timing Utility :通过对源文件和目标文件进行校正和非校正复制，测试内存的读、写速率；