计算机组成知识点整理(1)：概述

这是SJTU-ICE2603《计算机组成》课程的知识点整理系列。本文整理部分为“第1章：概述”。

1.1 引言

1.1.1 传统计算应用分类

类型	特点
个人计算机(PC)	低成本、单用户、第三方软件
服务器	网络访问，大容量、高性能、高可靠性
超级计算机	用于高端科学和工程计算，最高计算能力
嵌入式计算机	专用功能，有严格的功耗、性能、成本限制

1.1.2 后 PC 时代的特征

1. 个人移动设备替代个人电脑
   • 电池供电
   • 无线连接互联网
   • 价格低
2. 云计算接替传统服务器
   • 仓储级计算机
   • 软件即服务（在本地和云上各运行一部分软件）

1.2 7个伟大思想

1. 使用抽象简化设计
2. ​加速经常性事件
3. 通过并行提高性能
4. 通过流水线提高性能
5. 通过预测提高性能
6. ​存储层次
7. ​通过冗余提高可靠性

1.3 计算机软件

1.3.1 软件的层次结构

• 系统软件包括操作系统、编译器、加载程序、汇编器等
• 应用软件包括数据库系统等

1.3.2 三个级别的语言

• 高级编程语言 $\xrightarrow{\text{编译器}}$ 汇编语言 $\xrightarrow{\text{汇编器}}$ 机器语言
• 汇编语言是以助记符形式表示的机器指令

1.4 计算机硬件

1.4.1 计算机的硬件组成

1. 输入部件
2. 输出部件
3. 存储器
4. 运算器（数据通路）
5. 控制器

• 运算器和控制器合称为处理器，即中央处理单元（CPU）
• 无线网络既是输入设备又是输出设备
• 内存使用 DRAM，高速缓存使用 SRAM
• 硬件和软件之间的接口，称为指令集体系结构（ISA）

1.4.2 普林斯顿架构 与 哈佛架构

普林斯顿架构（冯·诺伊曼架构）

• 特点
  • ​统一存储体：指令和数据存放在同一存储器中，均以二进制形式存储
  • ​统一编址：内存和 I/O 端口共享唯一的地址空间（一个地址对应8bit）
  • ​共享总线：指令和数据通过同一总线传输，按地址逐行存取
• 优点
  • ​设计简单：硬件结构单一，开发成本低
  • ​灵活性强：存储器空间动态分配，适用于通用计算场景
  • ​编程友好：指令与数据地址无区分，简化编译器设计
• 缺点
  • ​性能瓶颈：总线分时复用导致指令取指与数据存取无法并行，效率受限
  • ​安全性风险：指令与数据混存可能导致程序被意外修改

哈佛架构

• 特点
  • ​分离存储体：指令存储器和数据存储器物理隔离，独立编址
  • ​独立总线：指令和数据通过不同总线传输，支持并行访问
• 优点
  • ​高性能：指令与数据并行存取，消除总线竞争，提升执行速度
  • ​安全性高：指令存储器只读设计（ROM），防止程序被篡改
  • ​实时性强：适用于嵌入式系统和高吞吐量场景
• 缺点
  • ​复杂度高：需独立的总线和存储控制器，硬件成本增加
  • ​资源冗余：指令与数据存储器容量固定，灵活性较差
  • ​编程复杂：需显式区分指令与数据地址，增加编译器负担

小结

​对比维度	​普林斯顿架构	​哈佛架构
​存储体设计	指令与数据共享存储体	指令与数据分离存储体
​总线类型	单一总线，分时复用	独立指令总线和数据总线
​性能瓶颈	存在冯·诺依曼瓶颈	并行访问，无总线竞争
​典型应用	通用计算机（如PC、服务器）	嵌入式系统、DSP、物联网设备
​成本与复杂度	低	高

1.5 半导体制造技术

• 硅锭被切成晶圆，晶圆被切成晶片（芯片）

$$\text{良率} = \frac{\text{合格芯片数}}{\text{总芯片数}} \times 100\%$$

$$\text{每晶片的价格} = \frac{\text{每晶圆的价格}}{\text{每晶圆的晶片数} \times \text{良率}}$$

$$\text{每晶圆的晶片数} \approx \frac{\text{晶圆面积}}{\text{晶片面积}}$$

$$\text{工艺良率} = \frac{1}{(1 + \text{单位面积的缺陷数} \times \text{芯片面积} / 2)^2}$$

1.6 性能计算

$$\text{性能} = \frac{1}{\text{执行时间}}$$

$$\text{CPU时间} = \frac{\text{指令数} \times \text{CPI}}{\text{时钟频率}}$$

1.7 功耗计算

$$\text{功耗} = \frac{1}{2} \times \text{负载电容} \times \text{电压}^2 \times \text{开关频率}$$

1.8 多核处理器

• 多核微处理器：一个芯片上有多个处理器
• 并行程序的挑战：调度、负载平衡、同步时间、通信负载

1.9 基准测评程序（benchmark）

• 不同指令架构需使用对应编译的测试集
• 通常用高级语言编写，依赖编译器优化生成高效代码
• 广泛应用于计算机性能评估

历年真题

1. 下列不属于系统程序的是

• A：数据库系统
• B：操作系统
• C：汇编程序
• D：编译程序

2. 计算机系统结构中软件层和硬件层之间的接口抽象是

• A：输入输出接口（I/O Interface）
• B：汇编语言（Assemble Language）
• C：操作系统（Operation System）
• D：指令集系统结构（Instruction Set Architecture）

3. 关于 Benchmarks 的描述不正确的是

• A：为获得总体性能指标，可通过对系统在计算、I/O等各方面性能的加权累加的方式获得
• B：针对每一类计算机系列而设计，不同指令架构的计算机要采用相对应的测试集
• C：一般都采用汇编语言编写，以获取最好的CPU利用率
• D：因其使用简便，已经被广泛应用于计算机性能评估

4. 比较哈佛结构和普林斯顿结构，说明各自的优缺点

Reference

https://gist.github.com/smallaccount101/6324d7c82d103783f21b7cc6da7d0f7c