计算机组成原理重要知识点摘录（考研用）——第一章：计算机系统概述

本文参考于《2021年计算机组成原理考研复习指导》（王道考研），《计算机组成原理》

存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，称这串代码的位数为存储字长

MAR用于寻址，其位数对应存储单元的个数；MDR的位数和存储字长相等；MAR和MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的

（1）翻译程序：指把高级语言源程序翻译成机器语言程序（目标代码）的软件
翻译程序有两种：编译程序与解释程序
（2）编译程序：将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序
（3）解释程序：解释程序的执行过程是翻译一句执行一句
（4）汇编程序：把汇编语言源程序翻译成机器语言程序。

读取源程序文件hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件hello，整个翻译过程可分为4个阶段完成：

（1）预处理阶段：预处理器cpp对源程序中以字符#开头的命令进行处理，例如将#include命令后面的.h文件内容插入程序文件。输出结果是一个以.i为扩展名的源文件hello.i
（2）编译阶段：编译器ccl对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序hello.s。汇编语言源程序中的每条语句都以一种文本格式描述了一条低级机器语言指令。
（3）汇编阶段：汇编器as将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个称为可重定位目标文件的hello.o，它是一种二进制文件
（4）链接阶段：链接器Id将多个可重定位目标文件和标准库函数printf所在的可重定位目标模块printf.o合并，生成可执行文件hello。最终生成的可执行文件被保存在磁盘上。

在计算机领域中，站在某类用户的角度，若感觉不到某个事物或属性的存在，即看不到某个事物或属性，则称为“对该用户而言，某个事物或属性是透明的”。

机器字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数（一次能处理数据的位数）。机器字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。

机器字长、指令字长、存储字长的区别与联系：
机器字长：计算机能直接处理的二进制的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度
指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数
存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度

它们都必须是字节的整数倍。指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍（机器周期是CPU操作的最基本单位）；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期

数据通路带宽指数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。

各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路

主存容量是指主存所能存储信息的最大容量（主存中存放二进制代码的总位数），主存容量=存储单元个数 x 存储字长

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。几乎每步都关系到主存，因此系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
响应时间：指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求作出响应并获得所需结果的等待时间。通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、OS开销等的时间）

CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期。
主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间最短，执行指令的速度越快。

CPU时钟周期=1/主频，主频通常以Hz为单位，1Hz即每s一次

主频高的CPU不一定比主频低的CPU快，衡量CPU运算速度的指标有很多，不能以单独的某个指标判断CPU的好坏。CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（架构、缓存、指令集、CPU的位数、Cache的大小等）。

（3）CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数
（4）CPU执行时间：指运行一个程序所花费的时间
CPU执行时间=（指令条数 x CPI）/主频=CPU时钟周期数/主频
上式表明，CPU的性能（CPU的执行时间）取决于：主频、CPI、指令条数
主频、CPI和指令条数是相互制约的。例如，更改指令集可减少程序所含指令的条数，但同时可能引起CPU结构的调整，从而可能会增加时钟周期的宽度（降低主频）。
（5）MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS
MIPS（Million Instructions Per Second）：即每秒执行多少百万条（10 ^ 6）指令，MIPS=指令条数/（执行时间 x 10^6）=主频/CPI
MFLOPS（Mega Floating-point Operations Per Second）：即每秒执行多少百万次浮点运算，MFLOPS=浮点操作次数/（执行时间x10^6）
GFLOPS（Giga Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少十亿次（10 ^ 9 ）浮点运算
TFLOPS（Tera Floating-point Operations Per Second)：每秒执行多少万亿次（ 10 ^ 12 ）浮点运算
PFLOPS：P=10^3T （ 10 ^ 15）
EFLOPS：E=10 ^ 3 P （ 10 ^ 18）
ZFLOPS: Z= 10 ^ 3 E （10 ^ 21）