（一）计算机的发展历程

（二）计算机的系统层次结构

（三）计算机的性能指标

吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间、MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS

1.冯·诺依曼计算机的基本特点与指令执行过程

2.计算机的各种性能指标

电子模拟计算机

模拟计算机根据相似原理，用一种连续变化的 模拟量 作为被运算对象。模拟计算机以电子线路构成基本部件，主要由运算部件、控制部件、输入输出设备等组成，核心部件是运算放大器。

电子数字计算机

​ 数字计算机根据算盘原理发展而来，用离散数字表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且通过程序控制方式不连续地跳动计算。

ENIAC 宣告人类进入电子计算机时代。 他是世界上第一台实际运行的存储程序式电子计算机。

数字计算机的分类

根据计算机的效率、速度价格和运行经济性适应性分为两类：专用计算机和通用计算机

通用计算机的分类

超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机

计算机的性能指标

吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）

响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量 微妙（10-6S）、纳秒(10-9S)

利用率：表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。

处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。

字长越长，表示计算的精度越高。计算机的性能指标

总线宽度：CPU运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节 ）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。

存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）

主频的倒数称为CPU的时钟周期（T）即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。

CPU的执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，用下列式子计算：

​ CPU执行时间 =CPU时钟周期数×CPU时钟周期长

CPI表示每条指令占据的周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：

C P I = 执行某段程序所需的 C P U 时钟周期数 该程序包含的指令条数 CPI=\frac{执行某段程序所需的CPU时钟周期数}{该程序包含的指令条数} CPI=该程序包含的指令条数执行某段程序所需的CPU时钟周期数​ MIPS 表示每条百万条指令数目，用下式计算：

M I P S = 指令条数 程序执行时间 × 1 0 6 = 时钟频率 C P I × 1 0 6 MIPS=\frac{指令条数}{程序执行时间×10^6}=\frac{时钟频率}{CPI×10^6} MIPS=程序执行时间×106指令条数​=CPI×106时钟频率​ 程序执行时间Te为： 程序执行时间为 T e = 指令条数 M I P × 1 0 6 程序执行时间为Te=\frac{指令条数}{MIP×10^6} 程序执行时间为Te=MIP×106指令条数​ MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算： M F L O P S = 程序中的浮点数 程序执行时间 × 1 0 6 MFLOPS=\frac{程序中的浮点数}{程序执行时间×10^6} MFLOPS=程序执行时间×106程序中的浮点数​ MIPS是单位时间内执行的百万条顶点指令数，MIPS值越高说明极其速度越快

MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。

TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。

【例1.1】对于一个给定的程序，IN表示执行程序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的CPU时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数），NC为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令，请写出如下四种参数的表达式：

(1) tCPU (2)CPI (3)MIPS (4)NC

解：有题可知

( 1 ) t C P U = N C × T = N C ÷ f = I N × C P I × T = ∑ i = 1 n ( C P I   i   × I i I N ) (1)t_{CPU}=N_{C}×T=N_C÷f=I_N×CPI×T=\sum_{i=1}^{n}(CPI~i~×\frac{I_i}{I_N}) (1)tCPU​=NC​×T=NC​÷f=IN​×CPI×T=i=1∑n​(CPI i ×IN​Ii​​)

( 2 ) C P I = N C I N = ∑ i = 1 n ( C P I i × I i I N ) − − − C P I i 表示 i 种指令所需平均时钟周期数 (2) CPI=\frac{N_C}{I_N}=\sum_{i=1}^{n}(CPI_i×\frac{I_i}{I_N}) --- CPI_i表示i种指令所需平均时钟周期数 (2)CPI=IN​NC​​=i=1∑n​(CPIi​×IN​Ii​​)−−−CPIi​表示i种指令所需平均时钟周期数

( 3 ) M I P S = I N t C P U × 1 0 − 6 = f C P I × 1 0 6 − − − − n 为指令种类 (3)MIPS=\frac{I_N}{t_{CPU}}×10^{-6}=\frac{f}{CPI×10^6}----n为指令种类 (3)MIPS=tCPU​IN​​×10−6=CPI×106f​−−−−n为指令种类

1 M I P S × 1 0 − 6 = t C P U I N = C P I f = C P I × T − − − − − 表示每条指令的平均执行时间 \frac{1}{MIPS}×10^{-6}=\frac{t_{CPU}}{I_N}=\frac{CPI}{f}=CPI×T-----表示每条指令的平均执行时间 MIPS1​×10−6=IN​tCPU​​=fCPI​=CPI×T−−−−−表示每条指令的平均执行时间

（ 4 ） N C = ∑ i = 1 n ( C P I i × I i ) − − − − − I i 表示 i 种指令在程序中执行的次数 （4）N_C=\sum_{i=1}^{n}(CPI_i×I_i) -----I_i表示i种指令在程序中执行的次数 （4）NC​=i=1∑n​(CPIi​×Ii​)−−−−−Ii​表示i种指令在程序中执行的次数

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CPU的时钟频率越高，机器的速度就越快，对吗?

​ 在其他因素不变的情况下，CPU的时钟频率越高，机器的速度肯定越快。但是， 程序执行的速度除了与CPU的速度有关外，还与存储器和IO模块的存取速度、总线的传输速度、Cache的设计策略等有很大关系。因此，机器的速度不是只由CPU的时钟频率决定的.

执行时间(响应时间)与CPI是什么关系?

​ 通常， 一条特定指令的CPI是一个确定的值，而某个程序的CPI是一个平均值。一个程序的执行时间取决于该程序所包含的指令数、CPI和时钟周期。在指令数和时钟周期一定的情况下，CPI越大，执行时间越长. 因此，机器的速度不是只由CPU的时钟频率决定的.

执行时间(响应时间)与CPI是什么关系?

​ 通常， 一条特定指令的CPI是一个确定的值，而某个程序的CPI是一个平均值。一个程序的执行时间取决于该程序所包含的指令数、CPI和时钟周期。在指令数和时钟周期一定的情况下，CPI越大，执行时间越长.