408考研-计组-1.2计算机系统层次结构笔记+1.3计算机性能指标

乘～风2026-06-12 19:09

1.2.2、计算机硬件基础

一、核心概念：存储程序

  1. 来源：冯·诺依曼针对EDVAC提出，区别于手动接线的ENIAC。
  2. 定义：指令和数据以二进制提前存入主存，CPU按地址顺序执行指令。
  3. 补充：软硬件逻辑等效（例：乘法可用硬件电路/多次加法软件实现）。

二、两大硬件架构

（一）早期冯·诺依曼机（以运算器为中心）

1. 五大硬件部件+功能
  • 输入设备：外界信息 → 机器二进制
  • 输出设备：运算结果 → 人类可读形式
  • 存储器：存放指令+数据
  • 运算器：算术运算、逻辑运算
  • 控制器：指挥所有部件协调工作
2. 结构简图

✅ 特点：I/O与存储器的数据必须经过运算器传输。

3. 冯·诺依曼机6大核心特点
  1. 由五大部件构成
  2. 指令、数据同存存储器，按地址寻访
  3. 指令、数据均为二进制
  4. 指令 = 操作码 + 地址码
  5. 核心思想：存储程序
  6. 整机以运算器为中心

（二）现代计算机（以存储器为中心，主流架构）

1. 核心整合
  • CPU = 运算器 + 控制器
  • 主机 = CPU + 主存
  • 外设(I/O) = 输入设备 + 输出设备
2. 结构简图

✅ 特点：I/O可直接和主存交互，不再依赖运算器，效率更高。

三、各硬件内部组成+寄存器

模块1：主存储器（主存）

1. 三大组成：存储体 + MAR + MDR
2. 寄存器功能
  • MAR（存储器地址寄存器）(Memory Address Register) ：存访存地址；位数 = 存储单元个数（例：4位MAR → 2⁴个单元）。
  • MDR（存储器数据寄存器）(Memory Data Register) ：存读写的数据；位数 = 存储字长（1字=16bit，1字节=8bit）。
  • 存储体：按地址存放二进制代码，一个地址对应一个存储单元。
主存结构简图

模块2：运算器（负责运算）

1. 四大组成：ALU + ACC + MQ + X
2. 寄存器功能（乘除运算必考）
  • ALU（算术逻辑单元）：执行加减乘除、与或非等运算（核心运算电路）。
  • ACC（累加器）（ACCumulator）：存放操作数、最终运算结果（加减乘除均用到）。
  • MQ（乘商寄存器）(Multiple-Quotient Register) ：专门用于乘法（存乘数/乘积低位）、除法（存商）。
  • X（通用操作数寄存器）：存放加数、减数、被乘数、除数等操作数。
运算器结构简图

模块3：控制器（指挥中心，控制指令执行）

1. 三大组成：PC + IR + CU
2. 寄存器功能（指令流程核心）
  • PC（程序计数器）（Program Counter） ：存下一条指令地址 ，具备自动+1功能。
  • IR（指令寄存器）(Instruction Register) ：存放当前正在执行的指令（指令=操作码OP+地址码Ad）。
  • CU（控制单元）(Control Unit)：解析指令、发出控制信号，指挥硬件工作。
控制器结构简图

四、计算机完整工作流程

1. 通用三步（所有指令都要执行）

  1. 取指令：PC→MAR → 主存→MDR → IR；PC自动+1
  2. 分析指令：IR的操作码(OP)送入CU解析
  3. 执行指令：CU控制各部件完成操作（取数/乘/加/存数等）

2. 典型例题流程（y=a*b+c，看懂即可）

初始：PC=0（指向第一条指令）

  1. 取数：从主存取出a → ACC
  2. 乘法：ACC(a) × MQ(b) → ACC
  3. 加法：ACC(ab) + X© → ACC
  4. 存数：ACC结果 → 主存y单元
  5. 停机：CU触发中断结束程序

整机联动结构图

复制代码 
【输入设备】 → 【主存】
                ↙      ↘
        MAR              MDR
         ↓                ↓
【控制器】IR ← PC        【运算器】ALU
        ↑  ↓ CU        ↑ ↓
        指挥全部硬件   ACC / MQ / X
                ↘
            【输出设备】

五、408必背易混点

  1. 中心区别：冯诺依曼机运算器为中心 ；现代计算机存储器为中心。
  2. 位数区分：MAR位数决定单元数量 ；MDR位数=存储字长。
  3. 寄存器区分：
    • PC：下一条指令地址；MAR：访存地址
    • IR：当前指令；MDR：读写数据
  4. 指令区分：指令 = 操作码（做什么）+ 地址码（操作数在哪）。
  5. 机器区分：冯诺依曼机核心 = 存储程序 + 二进制 + 五大部件。

1.2.3、计算机软件

1.1 软件分类

层级关系

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提供服务
使用
硬件
系统软件
应用软件
用户

  • 系统软件 ：管理硬件资源，提供底层基础服务
    包含：操作系统、数据库管理系统(DBMS)、语言处理程序、标准程序库、网络软件、服务程序
  • 应用软件 ：面向具体应用场景，解决领域问题
    举例：QQ、抖音、Photoshop、AutoCAD 等

补充：计算机硬件仅能识别二进制机器语言。

1.2、三级编程语言 & 翻译程序

语言层级流向

复制代码 
高级语言 → 翻译程序 → 汇编语言 → 汇编器 → 机器语言(二进制)

  1. 三类语言

    • 机器语言：纯二进制代码，硬件可直接执行
    • 汇编语言：助记符形式，与机器语言一一对应
    • 高级语言：C/C++、Python、Java 等，贴近人类使用习惯

  2. 三类翻译程序

    | 分类 | 工作特点 | 适用语言 |

    | ---- | -------- | -------- |

    | 编译器 | 整段一次性翻译，翻译完成后再执行 | C、C++ |

    | 解释器 | 翻译一句、执行一句，运行时实时翻译 | Python、JavaScript、Shell |

    | 汇编器 | 汇编语言单向转为机器语言 | 汇编语言 |

统称：编译器、汇编器、解释器 都属于翻译程序

1.3 补充概念

  1. 软硬件逻辑功能等价性
    同一功能，两种实现方式：
    • 硬件实现：性能高、成本高
    • 软件实现：性能低、成本低
  2. 指令集体系结构(ISA)
    软硬件之间的接口，定义计算机支持的指令、指令功能与使用规则。

1.2.4、计算机系统层次结构

自下而上分层，下层为上层基础，上层是下层扩展。

2.1 五层虚拟机器结构

复制代码 
M4 高级语言机器  ← 编译器翻译为汇编语言
↑
M3 汇编语言机器  ← 汇编器翻译为机器语言
↑
M2 操作系统机器  ← 向上提供系统调用（广义指令）
↑
M1 传统机器      ← 执行二进制机器语言指令
↑
M0 微程序机器     ← 硬件直接执行微指令（最底层）
  • M0、M1：硬件层
  • M2、M3、M4：虚拟机器（依赖软件实现）

2.2 易混概念辨析

  1. 计算机体系结构
    机器语言程序员可见的系统属性：指令系统、数据类型、寻址方式、I/O 机理等。
    例：计算机是否支持乘法指令。
  2. 计算机组成原理
    实现体系结构定义的功能，细节对程序员透明（不可见） 。
    例：乘法指令具体如何用硬件实现。

1.2.5、计算机系统不同用户

不同用户对应不同使用层级：

用户角色 所处层级 主要工作
普通最终用户 应用软件层 使用各类软件完成日常操作
应用程序员 高级语言层 使用高级语言开发应用软件
系统程序员 机器语言/汇编层 开发操作系统、编译器等系统软件
系统管理员 操作系统层 系统配置、运维、资源管理
复制代码 
注：同一用户可能在不同场景承担多种角色

1.2.6、计算机系统工作原理

4.1 源程序 → 可执行文件 完整流程

复制代码 
C源程序(.c) → 预处理 → 编译 → 汇编 → 链接 → 可执行文件(.exe)
  • 预处理：处理 # 宏定义、头文件、常量替换
  • 编译：高级语言 翻译为 汇编语言
  • 汇编：汇编语言 翻译为 机器语言（生成目标模块 .o）
  • 链接：整合多个目标模块、库文件，生成最终可执行文件

4.2 存储程序工作方式（冯·诺依曼核心）

指令和数据共同存放在主存中，CPU 依靠 PC 自动循环执行指令。

通用指令执行流程

复制代码 
取指令 → 分析指令(译码) → PC自增 → 取操作数 → 执行运算 → 结果写回
  1. 取指令：PC → MAR → 主存 → MDR → IR
  2. 分析指令：IR 中操作码送入 CU 解析
  3. 执行指令：控制各硬件完成对应操作

1.2节习题补充核心知识点

  1. ISA（指令集体系结构）：软硬件接口，定义指令、寄存器等软件可见硬件行为；同一ISA可由不同微架构实现，软件兼容；仅汇编语言与ISA指令一一对应。

  2. 翻译程序对比

    类型 工作方式 典型语言 特点
    编译程序 一次性完整翻译为目标程序后再执行 C、C++ 生成目标文件，运行速度快
    解释程序 边翻译边执行 Python、JavaScript 不生成目标文件，速度较慢

  3. 计算机系统定义：由配套硬件+软件共同组成，而非仅主机+外设。

  4. 冯·诺依曼机规则：指令按地址访问，数据除立即寻址外均存于存储器中。

1.3、计算机性能指标

5.1 主存储器性能指标

  1. MAR（存储器地址寄存器）
    • 位数决定存储单元总个数 ，单元数量 = 2MAR位数2^{MAR位数}2MAR位数
  2. MDR（存储器数据寄存器）
    • 位数 = 存储字长（单个存储单元的二进制位数）
  3. 存储容量公式
    总容量(bit)=存储单元个数×存储字长总容量(Byte)=存储单元个数×存储字长8 \begin{align} 总容量(\text{bit}) &= 存储单元个数 \times 存储字长 \\ 总容量(\text{Byte}) &= \frac{存储单元个数 \times 存储字长}{8} \end{align} 总容量(bit)总容量(Byte)=存储单元个数×存储字长=8存储单元个数×存储字长

单位换算：1 Byte=8 bit1\ \text{Byte} = 8\ \text{bit}1 Byte=8 bit

5.2 CPU 核心性能指标

基础公式

CPU主频=1时钟周期单条指令耗时=CPI×时钟周期程序总执行时间=指令条数×CPI主频 \begin{align} \text{CPU主频} &= \frac{1}{\text{时钟周期}} \\ \text{单条指令耗时} &= \text{CPI} \times \text{时钟周期} \\ \text{程序总执行时间} &= \frac{\text{指令条数} \times \text{CPI}}{\text{主频}} \end{align} CPU主频单条指令耗时程序总执行时间=时钟周期1=CPI×时钟周期=主频指令条数×CPI

  • 时钟周期：CPU 最小时间单位
  • 主频：CPU 时钟脉冲频率，单位 Hz / GHz
  • CPI：执行一条指令所需的时钟周期数（不同指令 CPI 不同）

运算速度指标

  1. IPS ：每秒执行指令数，IPS=主频平均CPI\text{IPS} = \dfrac{\text{主频}}{\text{平均CPI}}IPS=平均CPI主频，衍生单位：KIPS、MIPS
  2. FLOPS：每秒浮点运算次数，衍生单位：MFLOPS、GFLOPS、PFLOPS（多用于超算）

5.3 系统整体性能指标

  • 数据通路带宽：数据总线一次可并行传输的二进制位数
  • 吞吐量：单位时间内系统处理的请求数量，主要取决于主存存取周期
  • 响应时间：从发起请求到获取结果的总等待时间（含运算、I/O、等待耗时）

5.4 单位规则（高频易错）

  1. 存储/文件大小（二进制）
    K=210, M=220, G=230, T=240K=2^{10},\ M=2^{20},\ G=2^{30},\ T=2^{40}K=210, M=220, G=230, T=240
  2. 频率/运算速率（十进制）
    K=103, M=106, G=109, T=1012K=10^3,\ M=10^6,\ G=10^9,\ T=10^{12}K=103, M=106, G=109, T=1012

5.5 经典判断题考点

  1. 主频高的 CPU 不一定更快，需结合 CPI、指令集判断。
  2. 平均 CPI 相同时，主频高也未必更快，取决于指令系统。
  3. 基准程序跑分仅作参考，不能完全代表整机综合性能。

1.3节习题补充核心知识点

  1. 科学计算性能指标 ：标志系统性能的核心参数是 MFLOPS（每秒百万次浮点运算）。
  2. CPI 与时钟频率的关系：CPI（每条指令时钟周期数）与时钟频率无关，受系统结构、指令集、计算机组织影响；时钟频率不影响CPI本身，仅影响指令执行速度。
  3. 机器字长与运算精度：机器字长与运算精度指标密切相关，字长越长，数据位数越多，定点/浮点数的表示与运算精度越高。

本章节知识框架总结

计算机系统

├─ 硬件体系：冯·诺依曼/现代架构 + 五大部件 + 核心寄存器

├─ 软件体系：系统软件/应用软件 + 三级语言 + 翻译程序

├─ 层次结构：M0微程序 → M1机器语言 → M2操作系统 → M3汇编 → M4高级语言

├─ 工作原理：源程序编译流程 + 存储程序 & 指令执行流程

└─ 性能指标：存储器指标 + CPU指标 + 系统整体指标

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