计算机系统概论-编程知识

1、冯诺依曼结构计算机工作原理及层次结构分析

1.1 冯诺依曼计算机的工作原理

存储系统：将程序存放在计算机的存储器中（存储系统的快速构建与访问）
程序控制：按指令地址访问存储器并取出指令，经译码器依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算的控制，完成指令的功能（指令系统、控制器设计）

1.2 冯诺依曼计算机的组成

1.2.1 硬件系统

主机：CPU（运算器+控制器）、内存
外设：输入设备、输出设备、外存储器
总线：地址线、数据线、控制线

运算器

算术运算：加、减、乘、除
逻辑运算：与、或、非
基本结构：ALU（Arithmetic Logical Unit）、寄存器、连接通路

功能与结构的关系：指令、数据类型、性能要求 …

控制器

基本功能：产生指令执行过程所需要的所有控制信号，控制相关功能部件执行相应的功能
控制信号的方式：电平信号、脉冲信号
产生控制信号的依据：指令、状态、时序
控制信号的产生方式：微程序、硬布线

存储器

功能：存储原程序、原数据、运算中间结果
工作模式：读、写
工作原理：按地址访问，读/写数据

容量	地址线数量
1K	10
1M	20
1G	30

输入/输出设备

输入设备：向计算机输入数据（键盘、鼠标、网卡、扫描仪等）
输出设备：输出处理结果（显示器、声卡、网卡、打印机等）

1.2.2 软件系统

可运行的思想和内容的数字化
- 思想：算法、规律、方法–程序表达
- 内容：图形、图像、数据、声音、文字等被处理的对象
软件的表现形式：程序与数据（以二进制表示的信息）
软件的核心：算法

类型大致分为三种：

系统软件
- 如操作系统、网络系统和编译系统
支持软件
- 开发工具、界面工具等
应用软件
- 字处理软件、游戏软件

1.2.3 硬件与软件的关系

相互依存
逻辑等效性

某些功能可以由硬件实现、也可由软件实现
协调发展

1.3 计算机的层次结构

基本认识：

不同用户处在不同层次
不同层次具有不同属性
不同层次使用不同工具
不同层次的代码效率不同

概念：

透明性概念
- 本来存在的事务或属性，从某个角度去看，却好像不存在
- 如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性
系统观
- 当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响
- 不同类型的软件对硬件有不同的要求
- 编程的CPU硬件相关性，编程应查阅对应CPU的编程手册
软硬件的分界线
- 在指令集架构层
- 软、硬件的接口，是指令操作硬件的接口
- 指令格式及指令的设计与硬件关联

2、计算机系统性能评价

2.1 非时间指标

机器字长：指机器一次能处理的二进制位数

由加法器、寄存器的位数决定
一般与内部寄存器的位数相等（字长）
字长越长，表示数据的范围就越大，精确度越高
目前常见的有32位和64位

总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息位数

一般指运算器与存储器之间的数据总线位数
有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致
8086、80286、80386内外数据总线等宽
8088、80386SX外部总线宽度8位内部总线宽度16位
Pentinum外总线64位、内总线32位（两条32位流水线）

主存容量与存储带宽

主存容量
- 是指一台计算机主存所包含的存储单元总数
存储带宽
- 指单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位是B/s（字节/秒）。（影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率）

2.2 时间指标

1）主频f/时钟周期T，外频、倍率

主频f（周期/秒）

指CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号振荡的速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系
时钟周期T

也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作
f与T的关系

互为倒数，f越高，T就越小（f = 100MHz时T = 10ns，f = 1GHz时T = 1ns）
外频

指CPU（内存）与主板之间同步的时钟频率
倍频

CPU主频与外频之间的倍率

主频 = 外频 × 倍频

如：Pentium 4 2.4G CPU主频

24000M = 133M（外频） × 18（倍频）

2）CPI （Clock cycles Per Instruction）

执行一条指令（平均）需要的时钟周期数（即T周期的个数）
单条指令CPI、一段程序所有指令的CPI、指令系统CPI等

CPI = 程序中所有指令的时钟周期之和 / 程序中指令总数

= $\sum_{}$ （程序中各类指令的CPI × 程序中该类指令的比例）

IPC （Instruction per Clock）

每个时钟周期内执行的指令条数（并行）

3）MIPS （Million Instruction Per Second）

每秒钟CPU能执行的指令条数（单位：百万条/秒）

MIPS = 指令条数 / （执行时间 × 10^6）

= 指令条数 /（所有指令CPU时钟周期之和 / f × 10^6）

= f /（ CPI × 10^6） （全性能公式）

4）CPU时间

执行一段程序所需的时间

（CPU时间 + I/O时间 + 存储访问时间 + 各类排队时延等）

CPU时间 = 程序中所有指令的时钟周期之和 × T

= 程序中所有指令的时钟周期数之和 / f
考虑CPI后的CPU时间

CPU时间 = 总指令数 × $\sum_{i=1}^{n}$ （CPI1 × ICi / 总指令数） × 时钟周期时间

= 总指令数 × CPI × T

考虑MIPS后的CPU时间

MIPS = 指令数量 / 执行指令的时间 × 10^6

程序的执行时间 t = 指令数量 / MIPS × 10^6

3、计算机性能测试

3.1 目的

全面了解所测试计算机的性能
实时掌握计算机的工作状态
为对比、评估、维护提供依据
……

3.2 基本原理

计算机系统中配置了大量的传感器和寄存器，系统运行的相关参数保存在对应的寄存器中
测试程序通过读取对应寄存器的值获得系统运行的状况
通过图形 / 数据方式显示获取的状态数值

3.3 常见的测试工具

1）CPU测试工具

CPUmark

综合CPU测试,包括系统存储,浮点运算和逻辑运算;
SysID

测试CPU电压,运行频率, L1、L2 Cache以及各项技术资料;
Hot CPU Tester

可测试机器稳定性,尤其是超频后的稳定性，找出CPU的最高超频点或缺陷,还可检测CPU的详细性能指标并给出量化的分数值。包括「复杂矩阵」「排序算法「快速傅立叶变换」「CPU 缓存」「内存」「硬盘」及指令集等。另外其CPU/Mem Burn-in )还可以作为新购机时的烤机软件来使用。

2）显卡测试工具

3DMark

除衡量显卡性能外,已渐渐转变成一款衡量整机性能的软件已发行3Dmark99、3Dmark 11和The new 3DMark等近10个版本;
N-Bench2

重点测试CPU以及系统图形性能;
FurMark

通过皮毛渲染算法来衡量显卡的性能及其稳定性，提供了全屏/窗口、预定分辨率、基于时间或帧的测试、多种多重采样反锯齿、竞赛等多种模式。

3）硬盘测试工具

Hard Disk Speed

硬盘测速软件;
Disk Benchmark

通过对不同大小的数据块对磁盘读/写速度的影响检测硬盘、U盘、存储卡及其它可移动磁盘的读/写入速率;
iometer

可被配置为基准测试程序的磁盘和网络I/O的负载,可测试磁盘和网络控制器的性能、总线带宽和时延等参数;
HDD Temperature Pro

硬盘温度探测软件。

4）内存测试工具

CTSPD

选择主板厂商及型号后可详细测试内存的信息，包括:CAS
latency (列地址选通时延)、RAS to CAS delay(RAS到CAS的相对延
迟时间)、RAS precharge Trp (RAS预充电时间)、DIMM内存生产
商和DIMM编号等信息。
Memory Speed

通过读写不同大小的块状数据来测试内存的性能;
Memory Transfer Timing Utility

通过对源文件和目标文件进行校
正和非校正复制,测试内存的读、写速率;