计算机工作过程和性能指标

计算机工作过程和性能指标

1. 计算机系统的工作过程

程序存储原理

基本概念：

• 程序和数据都存储在存储器中
• 程序按顺序执行
• 控制器自动取指、译码、执行

存储程序原理：

• 程序存储：程序和数据存储在存储器中
• 顺序执行：指令按地址顺序执行
• 自动控制：控制器自动控制执行过程

指令执行过程

取指阶段（IF）：

• 从存储器取出指令
• 程序计数器自动加 1
• 指令送入指令寄存器

译码阶段（ID）：

• 分析指令操作码
• 确定操作数地址
• 准备执行环境

执行阶段（EX）：

• 执行算术运算
• 执行逻辑运算
• 执行地址计算

访存阶段（MEM）：

• 访问数据存储器
• 读取操作数
• 存储运算结果

写回阶段（WB）：

• 结果写回寄存器
• 更新状态标志
• 准备下一条指令

数据流动过程

数据输入：

• 通过输入设备输入数据
• 数据存储到存储器
• 程序处理数据

数据处理：

• CPU 从存储器读取数据
• 在运算器中处理数据
• 结果存储到存储器

数据输出：

• 从存储器读取结果
• 通过输出设备显示
• 完成数据处理

2. 计算机性能指标

吞吐量

定义：单位时间内处理的任务数量

影响因素：

• CPU 处理能力
• 存储器访问速度
• I/O 设备性能
• 系统调度效率

计算方法：

• 任务数/时间
• 字节数/秒
• 指令数/秒

响应时间

定义：完成任务所需的时间

组成部分：

• CPU 时间：CPU 处理时间
• I/O 时间：输入输出时间
• 等待时间：排队等待时间

优化方法：

• 提高 CPU 性能
• 优化算法
• 并行处理
• 缓存技术

主频（时钟频率）

定义：CPU 每秒振荡的次数

单位：Hz（赫兹）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）

影响因素：

• 制造工艺
• 电路设计
• 散热能力
• 功耗限制

性能关系：

• 主频越高，处理速度越快
• 但主频不是唯一决定因素
• 需要综合考虑其他指标

CPI（每条指令时钟周期数）

定义：执行一条指令所需的时钟周期数

计算方法：

• CPI = 总时钟周期数 / 指令数
• 平均 CPI = Σ(各类指令 CPI × 该类指令比例)

影响因素：

• 指令类型
• 数据相关性
• 分支预测
• 流水线效率

MIPS（每秒百万条指令）

定义：每秒执行的百万条指令数

计算公式：

• MIPS = 指令数 / (执行时间 × 10^6)
• MIPS = 主频 / (CPI × 10^6)

特点：

• 直观反映处理能力
• 便于比较不同处理器
• 但不同指令复杂度不同

MFLOPS（每秒百万次浮点运算）

定义：每秒执行的百万次浮点运算数

应用场景：

• 科学计算
• 图形处理
• 数值分析
• 仿真计算

特点：

• 专门衡量浮点运算能力
• 适合科学计算应用
• 与 MIPS 互补

其他性能指标

能耗：

• 功耗：单位时间消耗的电能
• 能效比：性能/功耗
• 绿色计算：低功耗设计

可靠性：

• 平均无故障时间（MTBF）
• 故障恢复时间
• 数据完整性

扩展性：

• 可扩展性：系统扩展能力
• 兼容性：与现有系统兼容
• 可维护性：系统维护便利性

3. 性能优化方法

硬件优化

CPU 优化：

• 提高主频
• 增加核心数
• 优化流水线
• 改进缓存

存储器优化：

• 增加容量
• 提高速度
• 优化层次结构
• 改进访问模式

I/O 优化：

• 提高传输速度
• 并行处理
• 缓冲技术
• 中断优化

软件优化

算法优化：

• 选择高效算法
• 减少计算复杂度
• 优化数据结构
• 并行算法

代码优化：

• 编译器优化
• 循环优化
• 内存访问优化
• 分支预测优化

系统优化：

• 进程调度优化
• 内存管理优化
• 文件系统优化
• 网络协议优化

练习题

练习 1

计算机硬件的五大部件是什么？

练习 2

计算机系统的主要性能指标有哪些？