计算机系统概论

缺乏、安全感 2024-03-04 06:04 109阅读 0赞

### 1、冯诺依曼结构计算机工作原理及层次结构分析 ###

#### 1.1 冯诺依曼计算机的工作原理 ####

*  存储系统：将程序存放在计算机的存储器中（存储系统的快速构建与访问）
 *  程序控制：按**指令地址**访问存储器并取出指令，经译码器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 （指令系统、控制器设计）

#### 1.2 冯诺依曼计算机的组成 ####

##### 1.2.1 **硬件系统** #####

![image-20230908085125921][]

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

> 运算器

*  算术运算：加、减、乘、除
 *  逻辑运算：与、或、非
 *  基本结构：ALU（Arithmetic Logical Unit）、寄存器、连接通路

![image-20230908085649476][]

功能与结构的关系：指令、数据类型、性能要求 …

> 控制器

*  基本功能：产生指令执行过程所需要的所有控制信号，控制相关功能部件执行相应的功能
 *  控制信号的方式：电平信号、脉冲信号
 *  产生控制信号的依据：指令、状态、时序
 *  控制信号的产生方式：微程序、硬布线

![image-20230908090124095][]

> 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

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>容量</th> 
   <th>地址线数量</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1K</td> 
   <td>10</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1M</td> 
   <td>20</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1G</td> 
   <td>30</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![image-20230908090856275][]

> 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）

![image-20230908091432451][]

##### 1.2.2 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：程序与数据（以二进制表示的信息）
 *  软件的核心：算法

![image-20230908091804950][]

类型大致分为三种：

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

##### 1.2.3 硬件与软件的关系 #####

*  相互依存
 *  逻辑等效性
    
    某些功能可以由硬件实现、也可由软件实现
 *  协调发展

#### 1.3 计算机的层次结构 ####

![image-20230908092246265][]

基本认识：

*  不同用户处在不同层次
 *  不同层次具有不同属性
 *  不同层次使用不同工具
 *  不同层次的代码效率不同

概念：

*  透明性概念
    
     *  本来存在的事务或属性，从某个角度去看，却好像不存在
     *  如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性
 *  系统观
    
     *  当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响
     *  不同类型的软件对硬件有不同的要求
     *  编程的CPU硬件相关性，编程应查阅对应CPU的编程手册
 *  软硬件的分界线
    
     *  在指令集架构层
     *  软、硬件的接口，是指令操作硬件的接口
     *  指令格式及指令的设计与硬件关联

### 2、计算机系统性能评价 ###

#### 2.1 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
    
    ![image-20230908093533996][]

> 总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息位数

*  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
 *  Pentinum外总线64位、内总线32位（两条32位流水线）

![image-20230908095604263][]

> 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，常用单位是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）

#### 2.2 时间指标 ####

> 1）主频f/时钟周期T，外频、倍率

*  主频f（周期/秒）
    
    指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
    
    指CPU（内存）与主板之间同步的时钟频率
 *  倍频
    
    CPU主频与外频之间的倍率

主频 = 外频 × 倍频

如：Pentium 4 2.4G CPU主频

24000M = 133M（外频） × 18（倍频）

> 2）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）
 *  单条指令CPI、一段程序所有指令的CPI、指令系统CPI等

CPI = 程序中所有指令的时钟周期之和 / 程序中指令总数

=  ∑ \\sum\_\{\} ∑（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）

> 3）MIPS （Million Instruction Per Second）

*  每秒钟CPU能执行的指令条数（单位：百万条/秒）
    
    MIPS = 指令条数 / （执行时间 × 10^6）
    
    = 指令条数 /（所有指令CPU时钟周期之和 / f × 10^6）
    
    = f /（ CPI × 10^6） `（全性能公式）`

> 4）CPU时间

*  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）
    
    CPU时间 = 程序中所有指令的时钟周期之和 × T
    
    = 程序中所有指令的时钟周期数之和 / f
 *  考虑CPI后的CPU时间
    
    CPU时间 = 总指令数 ×  ∑ i = 1 n \\sum\_\{i=1\}^\{n\} i=1∑n （CPI1 × ICi / 总指令数） × 时钟周期时间

= 总指令数 × CPI × T

*  考虑MIPS后的CPU时间
    
    MIPS = 指令数量 / 执行指令的时间 × 10^6
    
    程序的执行时间 t = 指令数量 / MIPS × 10^6

### 3、计算机性能测试 ###

#### 3.1 目的 ####

*  全面了解所测试计算机的性能
 *  实时掌握计算机的工作状态
 *  为对比、评估、维护提供依据
 *  ……

#### 3.2 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
 *  测试程序通过读取对应寄存器的值获得系统运行的状况
 *  通过图形 / 数据方式显示获取的状态数值

#### 3.3 常见的测试工具 ####

> 1）**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以及各项技术资料;
 *  **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。包括「复杂矩阵」「排序算法「快速傅立叶变换」 「CPU 缓存」「内存」「硬盘」 及指令集等。另外其CPU/Mem Burn-in )还可以作为新购机时的烤机软件来使用。

> 2）**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已发行3Dmark99、3Dmark 11和The new 3DMark等近10个版本;
 *  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，提供了全屏/窗口、预定分辨率、基于时间或帧的测试、多种多重采样反锯齿、竞赛等多种模式。

> 3）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。

> 4）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  
    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;

> 5）其他综合测试

*  鲁大师
    
    国内最大的免费系统工具软件，拥有硬件检测、硬件测试、系  
    统优化、节能降温、驱动安装等功能。
 *  其它测试工具:  
    http://www.newsmth.net/nForum/\#!article/CompMarket/523

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