計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基本原理知識(shí)

通常我們所說的電腦就是指計(jì)算機(jī)，今天電腦百事網(wǎng)與大家一起分享一些入門電腦知識(shí)，希望對(duì)學(xué)習(xí)電腦的朋友有所幫助。

1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。

2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為一門學(xué)科，主要是研究軟件、硬件功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定，即哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件完成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件的界面;計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn);計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。

3. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類

(1) 通常把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照其性能和價(jià)格的綜合指標(biāo)分為巨型、大型、中型、小型、微型等。

(2) 按用途可分為科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、家用等。

(3) 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類，可分為單處理機(jī)、多處理機(jī)、并行處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、SMP(對(duì)稱多處理機(jī))、MPP(大規(guī)模并行處理機(jī))、機(jī)群系統(tǒng)等。

(4) Flynn分類法。按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以下四類：

¨ 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(Single Instruction stream Single Datastream )

¨ 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(Single Instruction stream Multiple Datastream )

¨ 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(Multiple Instruction stream Single Datastream )

¨ 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD(Multiple Instruction stream Multiple Datastream )

(5)馮氏分類法。提出用最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。分為：

¨ 字串位串WSBS(Word Serial and Bit Serial)

¨ 字并位串WPBS(Word Parallel and Bit Serial)

¨ 字串位并WSBP(Word Serial and Bit Parallel)

¨ 字并位并WPBP(Word Parallel and Bit Parallel)

(6)漢德勒分類法。根據(jù)并行度和流水線提出的分類方法。

4. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)

(1) 確定用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求。

(2) 軟硬件的平衡。

(3) 設(shè)計(jì)出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

5. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法

(1) 由下往上(bottom-up)設(shè)計(jì)。

(2) 由上往下(top-down)設(shè)計(jì)。

(3) 由中間開始(middle-out)設(shè)計(jì)。

6. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1) 用基準(zhǔn)測(cè)試程序來測(cè)試評(píng)價(jià)機(jī)器的性能。

(2) 成套的基準(zhǔn)測(cè)試程序。

(3) 程序執(zhí)行時(shí)間

(4) MIPS(Million Instructions Per Second)

MIPS = =

(5) MFLOPS(Million FLoating point Operations Per Second)

MFLOPS =

7. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理

(1) 加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度(Make the common case fast)。

(2) Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。

Fe表示(改進(jìn)前可改進(jìn)部分占用的時(shí)間)/(改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間)，Se表示(改進(jìn)前改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間)/(改進(jìn)后改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間)，則：

改進(jìn)后的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為：

, 其中 為改進(jìn)前的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。

改進(jìn)后的整個(gè)系統(tǒng)加速比為：

(3)CPU性能公式。

CPU時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/頻率;

CPU時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)*時(shí)鐘周期長(zhǎng);

平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/IC(指令的條數(shù));

CPU時(shí)間=(IC*CPI)/頻率f;

(4)訪問的局部性原理。

時(shí)間局部性、空間局部性。

8.馮o諾依曼計(jì)算機(jī)的特征可概括為：

(1) 存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線形編址的一維結(jié)構(gòu)。

(2) 存儲(chǔ)器提供可按地址訪問的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址是唯一定義的。

(3) 由指令形式的低級(jí)機(jī)器語言驅(qū)動(dòng)。

(4) 指令是執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。

(5) 以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。