計(jì)算機(jī)的基本概念、組成結(jié)構(gòu) ，你不妨了解看看！
這學(xué)期學(xué)校開(kāi)了《計(jì)算機(jī)組成原理》這門(mén)課，作為四大金剛之一，內(nèi)容還是比較難理解的，很多知識(shí)點(diǎn)都需要去反復(fù)記憶，所以我結(jié)合自己的理解將大部分內(nèi)容整理出來(lái)，才疏學(xué)淺，如有錯(cuò)誤，歡迎大家指正！
以下為本節(jié)目錄：
1 計(jì)算機(jī)的基本概念
1.1 計(jì)算機(jī)的軟硬件概念 1.2 計(jì)算機(jī)的分類(lèi)
2 計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展
2.1 馮 · 諾依曼體系 2.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程 2.3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織
3.1 硬件系統(tǒng) 3.2 軟件系統(tǒng) 3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 3.4 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性
4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
計(jì)算機(jī)是 20 世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，是一種能夠存儲(chǔ)程序，通過(guò)執(zhí)行程序指令，自動(dòng)、高速、精確地對(duì)各種信息進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算處理，并輸出運(yùn)算結(jié)果的一種電子設(shè)備。
誰(shuí)也不曾想到，當(dāng)初只是當(dāng)作軍事計(jì)算工具應(yīng)用的電子計(jì)算機(jī)，在半個(gè)世紀(jì)中竟然會(huì)成為改變社會(huì)結(jié)構(gòu)，乃至促進(jìn)人們的工作和生活方式發(fā)生驚人變化的寵兒。
1 計(jì)算機(jī)的基本概念
1.1 計(jì)算機(jī)的軟硬件概念
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由**“硬件”和“軟件”兩部分組成**。
硬件是指看得見(jiàn)摸得著的各種電子元器件。如主機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等。 軟件看不見(jiàn)摸不著，但在邏輯上，我們確實(shí)可以感知到它的存在，它由人們事先編制的具有某種功能的程序組成。比如操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言等。
計(jì)算機(jī)的軟件通常又分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
系統(tǒng)軟件：又稱(chēng)為系統(tǒng)程序，主要用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度。它包括：操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、服務(wù)程序等。 應(yīng)用軟件：又稱(chēng)為應(yīng)用程序，它是用戶根據(jù)需要事先編制的程序。比如 QQ、微信等。
1.2 計(jì)算機(jī)的分類(lèi)
計(jì)算機(jī)的種類(lèi)很多，從不同的角度看，有不同的分類(lèi)。
按照計(jì)算機(jī)的處理信息的方式，可以分為數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)。
數(shù)字計(jì)算機(jī)：通過(guò)信號(hào)的兩種不同狀態(tài)（1 和 0）來(lái)表示信息，可以方便地對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，具有速度快、精度高、便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。通常講的計(jì)算機(jī)一般是指數(shù)字計(jì)算機(jī)。 模擬計(jì)算機(jī)：一般只能處理模擬信號(hào)，如連續(xù)變化地電壓、電流和溫度等。這類(lèi)計(jì)算機(jī)應(yīng)用鄰域有限，通用性不強(qiáng)。 按照計(jì)算機(jī)通用性地差異，計(jì)算機(jī)可以分為專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。
專(zhuān)用計(jì)算機(jī)：專(zhuān)門(mén)為某一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。功能比較單一，對(duì)應(yīng)用環(huán)境地適應(yīng)性很差。例如計(jì)算導(dǎo)彈彈道的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。 通用計(jì)算機(jī)：各行業(yè)和各種環(huán)境都能使用的計(jì)算機(jī)，一般具有較高的運(yùn)算速度、較大的內(nèi)存容量。我們平常使用的個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)都屬于通用計(jì)算機(jī)。 按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)模和處理能力，通用計(jì)算機(jī)可以分為以下幾類(lèi)：
微型機(jī) 小型機(jī) 大型機(jī) 超級(jí)計(jì)算機(jī)
2 計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展
2.1 馮 · 諾依曼體系
1945 年，被稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)之父”的美籍匈牙利科學(xué)家馮 · 諾依曼在研究 EDVAC 時(shí)提出了“存儲(chǔ)程序”的概念。以此概念為基礎(chǔ)的各類(lèi)計(jì)算機(jī)稱(chēng)為馮 · 諾依曼機(jī)。它的特點(diǎn)可以歸納如下：
計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由五大部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪。 指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制數(shù)表示。 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作碼的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。 指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。
典型的馮 · 諾依曼計(jì)算機(jī)是以運(yùn)算器為中心的，如下圖所示。
現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)已轉(zhuǎn)化為以存儲(chǔ)器為中心，如下圖所示。
圖中各部件的功能如下：
運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果暫時(shí)存放在運(yùn)算器內(nèi)。 存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序。 控制器用來(lái)控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行以及處理運(yùn)算結(jié)果。 輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識(shí)別的信息形式，常見(jiàn)的有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等。 輸出設(shè)備可將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式，常見(jiàn)的有打印機(jī)輸出、顯示器輸出等。
計(jì)算機(jī)的五大部件在控制器的統(tǒng)一指揮下，有條不紊地自動(dòng)工作。
由于運(yùn)算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)聯(lián)系上十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)后，這兩大部件往往集成在同一芯片上。因此，通常將它們合起來(lái)統(tǒng)稱(chēng)為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。
把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱(chēng)為 I/O 設(shè)備（Input/Output Equipment)。
這樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可認(rèn)為由三大部分組成：CPU、I/O 設(shè)備及主存儲(chǔ)器（Main Memory，MM），如下圖所示。
CPU 與主存儲(chǔ)器合起來(lái)又可稱(chēng)為主機(jī)，I/O設(shè)備又可稱(chēng)為外部設(shè)備。
2.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程
第一代，電子管計(jì)算機(jī)（1946 - 1957 年） 第二代，晶體管計(jì)算機(jī)（1958 - 1964 年） 第三代，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1965 - 1971 年） 第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971 年至今）
2.3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)可以用五個(gè)字概括：巨、微、多、網(wǎng)、智。
巨型化 微型化 多媒體化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化
3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織
3.1 硬件系統(tǒng)
在馮 · 諾依曼體系中，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成的。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多重大的變化，如運(yùn)算器和控制器已組合成一個(gè)整體，稱(chēng)為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。
存儲(chǔ)器已成為多級(jí)存儲(chǔ)器體系，包含主存、高速緩存和外存三個(gè)層次。
下圖是一種計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型示意圖，其中包含 CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）設(shè)備和接口等部件，各部件之間通過(guò)系統(tǒng)總線相連接。
（1）CPU
CPU 是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心部件，由運(yùn)算部件、寄存器組和控制器組成，它們通過(guò) CPU 內(nèi)部的總線相互交換信息。
運(yùn)算器
功能：完成算術(shù)運(yùn)算（定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算）和邏輯運(yùn)算。
基本組成：
主要由 ALU（算術(shù)邏輯單元）構(gòu)成，執(zhí)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及移位循環(huán)等操作，是 CPU 功能的主要執(zhí)行操作。 ALU 以累加器為核心，具有多種運(yùn)算功能。 運(yùn)算的位數(shù)越多，計(jì)算精度就越高，但器件也更復(fù)雜。 運(yùn)算器的數(shù)據(jù)寬度一般是：8 位、16 位、32 位或 64 位。 寄存器組用來(lái)存放數(shù)據(jù)信息和控制信息。
控制器
功能：產(chǎn)生控制命令（微命令），控制全機(jī)操作。
基本組成：
（2）存儲(chǔ)器
功能：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)字化后的程序。
不論是數(shù)據(jù)，還是程序，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的全是用 0 或 1 表示的二進(jìn)制代碼。
存儲(chǔ)器有以下幾個(gè)基本概念：
存儲(chǔ)單元：在存儲(chǔ)器中保存一個(gè) n 位二進(jìn)制數(shù)的 n 個(gè)存儲(chǔ)電路，組成一個(gè)存儲(chǔ)單元。
存儲(chǔ)元件：能夠存放一位二進(jìn)制代碼 0 或 1 的器件。存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元又包含若干個(gè)存儲(chǔ)元件。
存儲(chǔ)字：一個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一串二進(jìn)制代碼，稱(chēng)這串二進(jìn)制代碼為一個(gè)存儲(chǔ)字。
存儲(chǔ)字長(zhǎng)：存儲(chǔ)字（也就是存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的二進(jìn)制代碼）的位數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)字長(zhǎng)。
地址：存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，稱(chēng)為地址。
存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。
存儲(chǔ)容量越大，能存儲(chǔ)的信息越多，常用的單位有 “KB、MB、GB、TB、PB” 等。
這幾個(gè)概念比較晦澀，舉個(gè)栗子來(lái)幫助理解：
我們可以把存儲(chǔ)器看作一棟大樓，那么每個(gè)存儲(chǔ)單元就可以看作大樓中的每個(gè)房間，每個(gè)存儲(chǔ)元件可以看作房間中的一張床位，床位有人值為 1，無(wú)人為 0，床位數(shù)相當(dāng)于存儲(chǔ)字長(zhǎng)。為了方便尋找某一個(gè)房間，每個(gè)房間需要有一個(gè)房間編號(hào)，這個(gè)房間編號(hào)就相當(dāng)于地址。
存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)中的所有信息，一個(gè)存儲(chǔ)器無(wú)法同時(shí)滿足存儲(chǔ)容量大、存取速度快的需求，因此常將存儲(chǔ)器分為主存、外存、緩存三級(jí)存儲(chǔ)體系。
主存用來(lái)存放 CPU 需要使用的程序和數(shù)據(jù)。主存的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有固定的地址，CPU 可以按地址直接訪問(wèn)他們。這樣就要求主存的存取速度很快，但目前由于技術(shù)限制，都只有幾個(gè) G。通常將 CPU 和主存合稱(chēng)為主機(jī)，由于主存在在主機(jī)之內(nèi)，所以主存又叫做內(nèi)存。 外存位于主機(jī)之外，用來(lái)存放 CPU 暫不使用的程序和數(shù)據(jù)。CPU 并不直接按地址訪問(wèn)它們，而是按文件名將它們從外存調(diào)入主存。因此外存的容量很大，但存取速度比主存慢，如磁盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)和 U 盤(pán)都是常用的外存。 高速緩存（Cache）是為了提高 CPU 的訪存速度，它設(shè)置在 CPU 和主存之間，是一個(gè)存取速度很快的存儲(chǔ)器，不過(guò)容量較小，用來(lái)存放 CPU 當(dāng)前正在使用的程序和數(shù)據(jù)。
（3）輸入/輸出設(shè)備
輸入設(shè)備將各種形式的外部信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的代碼形式送入主機(jī)。例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等。
輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們所能識(shí)別的形式（字符、圖像、聲音）輸出。例如顯示器、打印機(jī)等。
輸入設(shè)備和輸出設(shè)備都與主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以將它倆合稱(chēng)為輸入/輸出（Input/Output，I/O）設(shè)備。按照邏輯劃分，它們位于主機(jī)之外，我們又稱(chēng)它為外設(shè)。我們經(jīng)常所說(shuō)的外設(shè)就是它們了。
（4）總線
總線是一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的信息傳輸線。
根據(jù)傳送信息不同，可分三類(lèi)：
傳送各種數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)總線（Data Bus） 傳送各種地址信息的地址總線（Address Bus） 傳送各種控制信號(hào)的控制總線（Control Bus）
（5）接口
外設(shè)的種類(lèi)、數(shù)量是多變的，為了將標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)總線與各類(lèi)外設(shè)連接，需要在系統(tǒng)總線與 I/O 設(shè)備之間設(shè)置一些接口部件，具有緩沖、轉(zhuǎn)換、連接等功能，這些部件就被稱(chēng)為接口。
3.2 軟件系統(tǒng)
軟件類(lèi)別：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
系統(tǒng)軟件：又稱(chēng)為系統(tǒng)程序，主要用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度。它包括：操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、服務(wù)程序等。
應(yīng)用軟件：又稱(chēng)為應(yīng)用程序，它是用戶根據(jù)需要事先編制的程序。比如 QQ、微信等。
3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
早期計(jì)算機(jī)只有機(jī)器語(yǔ)言（用 0、1 代碼表示的語(yǔ)言），程序員必須用機(jī)器語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序。這樣就要求程序員對(duì)他們計(jì)算機(jī)硬件和指令系統(tǒng)非常熟悉，編程難度相當(dāng)大。不過(guò)編寫(xiě)的程序計(jì)算機(jī)可以直接運(yùn)行。直接執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言的機(jī)器稱(chēng)為實(shí)際機(jī)器 M1。
20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始出現(xiàn)了符號(hào)式的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也就是匯編語(yǔ)言。它用符號(hào) ADD、SUB 等分別來(lái)表示加法、減法，并且用符號(hào)來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)單元的地址。
相比機(jī)器語(yǔ)言，編程難度有所降低，但是沒(méi)有機(jī)器能夠直接識(shí)別匯編語(yǔ)言，每臺(tái)機(jī)器都需要編寫(xiě)一套對(duì)應(yīng)指令的匯編語(yǔ)言，這樣就導(dǎo)致程序員這對(duì)程序員來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是天災(zāi)。
將具有翻譯功能的匯編程序的計(jì)算機(jī)看做 M2，M2 是在 M1 之上，因?yàn)樾枰獏R編程序?qū)R編語(yǔ)言翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言。
源程序進(jìn)入機(jī)器 M1 運(yùn)行前，必須先將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序（或其他中間語(yǔ)言程序），然后再將其翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序；也可以將高級(jí)語(yǔ)言程序直接翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序。
這些工作都是由虛擬機(jī) M3 來(lái)完成的，對(duì)程序員來(lái)說(shuō)，它們不需要知道這個(gè)翻譯過(guò)程，因此降低了編程難度。
由此可得出具有三級(jí)層級(jí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
將高級(jí)語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的軟件稱(chēng)為翻譯程序。翻譯程序分為兩種：
編譯程序：將用戶編寫(xiě)的高級(jí)語(yǔ)言程序（源程序）的全部語(yǔ)句一次全部翻譯稱(chēng)機(jī)器語(yǔ)言，然后執(zhí)行此程序。 解釋程序：將源程序的每一條語(yǔ)句翻譯成對(duì)應(yīng)于機(jī)器語(yǔ)言的一條語(yǔ)句，并且執(zhí)行這條語(yǔ)句，重復(fù)這個(gè)步驟，直到翻譯完這個(gè)程序。
由于軟件的發(fā)展，在實(shí)際機(jī)器 M1 的基礎(chǔ)上向上延伸構(gòu)成了各級(jí)虛擬機(jī)器。那么，機(jī)器 M1 也可以向下延申形成下一級(jí)的微程序機(jī)器 M0，機(jī)器 M0 是將機(jī)器 M1 中的每一條機(jī)器指令翻譯成一組微指令，構(gòu)成一個(gè)微程序。
機(jī)器 M0 也是實(shí)際機(jī)器，為了區(qū)別于 M1，通常將機(jī)器 M1 稱(chēng)為傳統(tǒng)機(jī)器，將 M0 稱(chēng)為微程序機(jī)器。這樣就可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有四級(jí)層次結(jié)構(gòu)。
在上述四級(jí)層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，實(shí)際上在實(shí)際機(jī)器 M1 和虛擬機(jī)器 M2 之間還有一級(jí)虛擬機(jī)器，它是由操作系統(tǒng)構(gòu)成的。
3.4 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性
軟件的特點(diǎn)
易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和運(yùn)算功能，但是常受到速度指標(biāo)和軟件容量的制約。
硬件的特點(diǎn)
可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算，受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約。
計(jì)算機(jī)中的軟件，理論上都可以 “固化” 或 “硬件化”，以提高執(zhí)行速度。
4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
1. 基本字長(zhǎng)
算術(shù)運(yùn)算可以分為定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算兩大類(lèi)?；咀珠L(zhǎng)就是指處理器參加一次定點(diǎn)運(yùn)算的操作數(shù)位數(shù)。
一次數(shù)據(jù)操作的基本位數(shù)。 它會(huì)影響計(jì)算的精度、指令的功能。
一般 4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。
2. 外頻
外頻也叫外部頻率或基頻，有時(shí)也稱(chēng)為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，經(jīng)過(guò)倍頻系數(shù)放大，用作各部件的工作頻率，如 CPU、內(nèi)存、各類(lèi)總線等。
3. 常用的 CPU 性能指標(biāo)
單位換算的簡(jiǎn)化關(guān)系：1K = 1000，1M = 1000K，1G = 1000M
（1）CPU 主頻 = 外頻 X 倍頻系數(shù)
CPU 的主頻是 CPU 內(nèi)核的工作頻率，有時(shí)也叫 CPU 的時(shí)鐘頻率。通常說(shuō)的某款 CPU 多少 GHZ，說(shuō)的就是它的主頻。提高上述公式中的任一指標(biāo)，都可以提高 CPU 的主頻，也就是超頻。
CPU 主頻的高低是決定計(jì)算機(jī)工作速度的重要因素，不過(guò)兩者之間沒(méi)有正比關(guān)系。
（2）CPU 執(zhí)行某種運(yùn)算總時(shí)間 = CPU 時(shí)鐘周期數(shù) / 主頻 = （指令條數(shù) X CPI） / 主頻
在 CPU 時(shí)鐘頻率中，相鄰兩個(gè)時(shí)鐘脈沖之間的間隔為一個(gè)時(shí)鐘周期，它與 CPU 完成一步微操作所需的時(shí)間是對(duì)應(yīng)的。
下面詳細(xì)說(shuō)一下時(shí)鐘頻率（主頻）與時(shí)鐘周期的關(guān)系：
通過(guò) CPU 的工作方式來(lái)看，CPU 分為兩種控制方式：同步控制、異步控制。為了解時(shí)鐘頻率與時(shí)鐘周期的關(guān)系，我們先看同步控制 CPU 的工作方式，異步控制方式在接下來(lái)的章節(jié)會(huì)提到。
既然是同步控制 CPU，那就需要一個(gè)同步機(jī)制，不然你做一樣，我做一樣，沒(méi)有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，豈不亂套？
在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)時(shí)序發(fā)生器來(lái)完成這項(xiàng)工作，它由一個(gè)晶體振蕩器和一組計(jì)數(shù)倍頻邏輯組成。它不停給芯片其他部件發(fā)送一個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)。每一次脈沖到來(lái)，芯片內(nèi)的晶體管就改變一次狀態(tài)，讓整個(gè)芯片完成一定任務(wù)。統(tǒng)一指揮，完成任務(wù)。
電腦中的各種部件就是在時(shí)序發(fā)生器發(fā)送的特定時(shí)鐘頻率下有條不紊地進(jìn)行工作的。
如圖，時(shí)序發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號(hào)做出周期變化的最短時(shí)間稱(chēng)之為振蕩周期，也成為 CPU 時(shí)鐘周期。正如前面所說(shuō)，相鄰兩個(gè)時(shí)鐘脈沖之間的間隔為一個(gè)時(shí)鐘周期。它是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。
一個(gè)震蕩周期內(nèi)，晶體管只會(huì)改變一次狀態(tài)。那么，更小的時(shí)鐘周期就意味著更高的工作頻率。
一秒（1s）內(nèi)，震蕩周期的個(gè)數(shù)稱(chēng)為時(shí)鐘頻率，稱(chēng)為主頻。
我們把主頻看作 f，時(shí)鐘周期看作 T，可以得出 f = 1 / T。
（3）IPS = 指令條數(shù) / 執(zhí)行時(shí)間 X 106 = 主頻 / CPI
CPU 平均每秒執(zhí)行指令的數(shù)量，IPS（Instructions Per Second），常用更大的單位 MIPS 或 GIPS 表示。
（4）CPI = 總時(shí)鐘周期數(shù) / 總指令數(shù)
CPU 執(zhí)行程序時(shí)，每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)，CPI（Clock cycles Per Instruction）。
（5）FLOPS = （浮點(diǎn)運(yùn)算的次數(shù) / 執(zhí)行時(shí)間）/ 106
CPU 每秒能夠完成的定點(diǎn)或者浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（非指令數(shù)）。高性能計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行浮點(diǎn)向量運(yùn)算，一般用每秒能完成的浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（Floating-point Operation Per Second）。比如，天河二號(hào)，其實(shí)測(cè)速度：33.86PFLOPS。
（6）CPU 的功耗 P = C X U2 X f
4. 數(shù)據(jù)通路寬度與數(shù)據(jù)傳輸率
（1）數(shù)據(jù)通路寬度
數(shù)據(jù)總線一次能并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。數(shù)據(jù)通路寬度分為 CPU 內(nèi)部和 CPU 外部兩種情況：
CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)通路寬度一般與 CPU 的基本字長(zhǎng)相同，也等于 CPU 內(nèi)總線的位寬。 CPU 外部數(shù)據(jù)通路寬度等于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位寬。
有的 CPU 內(nèi)外的數(shù)據(jù)通路寬度一樣，有的不同。
（2）數(shù)據(jù)傳輸率（Data Transfer Rate，DTR）
也叫比特率，指單位時(shí)間內(nèi)信道的數(shù)據(jù)傳輸量，基本單位是 bps。也常常借用帶寬（Bandwidth）一詞來(lái)表示數(shù)據(jù)傳輸率。
數(shù)據(jù)傳輸率與傳輸信道的數(shù)據(jù)通路寬度和最大的工作頻率有關(guān)，公式如下：
注意：不論何種設(shè)備，理解帶寬概念時(shí)，只需要緊緊把握住單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量這一本質(zhì)特性即可。
計(jì)算 PCI-E 總線的帶寬時(shí)，一般還要考慮編碼方式、單雙工模式和通道路數(shù)等。
結(jié)合這個(gè)小節(jié)的內(nèi)容，來(lái)舉個(gè)栗子：
假設(shè)該 I/O 程序由 2000 條指令構(gòu)成，CPU 每次執(zhí)行該程序可并行輸出 4KB 數(shù)據(jù)。CPU 主頻 3.2GHz，求 I/O 帶寬。
解：
平均 CPI = 15 X 40% + 20 X 30% + 15 X 20% + 10 X 10% = 16
CPU 執(zhí)行這個(gè)包含 2000 條指令的程序，所需的時(shí)鐘周期總數(shù) = 指令數(shù) X 平均每條指令所需的時(shí)鐘周期
程序的時(shí)鐘周期數(shù) T = 2000 X 16 = 32000 = 32K 個(gè)
CPU 主頻 = 3.2GHz，表明 1 秒鐘能產(chǎn)生 3.2G 個(gè)時(shí)鐘周期，因此每秒鐘此程序可被執(zhí)行次數(shù) = 每秒鐘的時(shí)鐘周期總數(shù) / 程序完整執(zhí)行一次所需的時(shí)鐘周期數(shù)
該程序每秒執(zhí)行次數(shù) = f / T = 3.2G / 32K = 105 次
I/O 帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量，總數(shù)據(jù)量 = 程序被執(zhí)行的次數(shù) X 每次輸出的數(shù)據(jù)量
I/O 帶寬 = （105 X 4 KB）/ 秒 = 400 MBps（兆字節(jié)/秒）
5. 存儲(chǔ)器容量
存儲(chǔ)器分為內(nèi)存（主存）和外存（輔存）。
（1）內(nèi)存（主存）
存放 CPU 當(dāng)前需要處理的數(shù)據(jù)和需要執(zhí)行的程序。主存容量越大，可以減少 CPU 反復(fù)讀取主存數(shù)據(jù)的次數(shù)和等待時(shí)間。
主存的容量取決于主存的編址單元數(shù)和每個(gè)編址單元的位數(shù)（寬度）。經(jīng)常用字節(jié)數(shù)表示主存容量：
字節(jié)數(shù)
微型機(jī)的主存多按字節(jié)編址，每個(gè)編址單元含有 8 位數(shù)據(jù)。因此 1MB = 220，1K = 210?，F(xiàn)在家用電腦主存容量可達(dá)到 8GB（1G = 230）以上。
（2）外存（輔存）容量
外部存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)量，基本單位一般用 B、MB、GB 或者 TB 等來(lái)表示常用的外存有硬盤(pán)、U 盤(pán)等。
計(jì)算機(jī)中的軟件資源和數(shù)據(jù)，如操作系統(tǒng)、編譯程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等，它們沒(méi)有運(yùn)行的部分都是保存在外存中，需要時(shí)再載入內(nèi)存。
注意：外村容量取決于存儲(chǔ)器自身，與地址總線的位數(shù)無(wú)關(guān)。
另注： 本文在開(kāi)源項(xiàng)目：github.com/MujieJava/JavaStudy 中已收錄，包含計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)文章、資源干貨等，資源持續(xù)更新中...
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