计算机概要与技术，计算机本科补全计划

1、冯洛伊曼的主要思想：

（1）用二进制代码表示程序和数据；

一、计算机分类：

（2）计算机采用存储程序的工作方式；

个人计算机PC、服务器Server 、超级计算机、嵌入式计算机（最多）

（3）计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备等五大部件组成。

二、后PC时代：

2、计算机性能的定义

• 个人移动设备PMD Personal Mobile Device ，采用电池供电，无线网络，触摸屏
• 云计算替代传统的服务器，仓储规模计算机的巨型计算中心，可以采用租赁的方式获取

（1）相应时间（Response Time）

三、计算机系统结构的八个伟大思想：

     从提出请求到被执行的时间。

1. 面向摩尔定律的设计
2. 使用抽象简化设计
3. 加速大概率事件
4. 通过并行提高性能
5. 通过流水线提高性能
6. 通过预测提高性能
7. 存储器层次
8. 通过冗余提高可靠性

（2）吞吐率（Throughput）

四、一个软件的三个层次： 应用层次==》系统软件==》硬件

　　 单位时间内所做的工作。

其中系统软件包括：操作系统，编译程序（最重要的，必须的），加载程序，汇编程序

（3）提高相应时间和吞吐率的方法？

六、任何计算机都要完成的基本功能：

     用更快的处理器。

• 输入数据
• 输出数据
• 处理数据
• 存储数据

     用更多的处理器。

与之相应的经典部件：

3、性能

• 输入
• 输出
• 存储器
• 数据通路/运算器
• 控制器

（1）CPU时间

最后两个合称 处理器/CPU

            执行某一任务在CPU的花费的时间。

七、存储器有：

     不包括等待I/O或运行其他程序的时间。

• 易失性存储器
  • 内存---DRAM Dynamic Random Access Memory 动态随机访问存储器
  • 处理器内部的缓存—SRAM Static Random Access Memory 静态随机访问存储器 速度更快而且不那么密集，但是造价比DRAM 更贵，

（2）时钟周期  

SRAM DRAM处于存储器层次的两层 以上属于易失性存储器，下面是非易失性存储器 前者称为主存，后者称为二级存储器

            计算机一个时钟周期的时间，通常是处理器时钟，一般为常数。

• 非易失性存储器
  • 二级存储器的典型代表是：Disk硬盘 DVD也是二级存储器
  • 另外在后PC时代中闪存Flash Memory 在个人引动设备中取代了磁盘，但是由于闪存存在100000~1000000 次后老化的缺点，所以必须时刻记录
    SRAM DRAM处于存储器层次的两层

  CPU时间 = CPU时钟周期数 * 时钟周期

八、处理器芯片的制造过程（晶体管—集成电路--超大规模集成电路VLSI）

硅锭 Silicon Crystal Ingot ==》 晶圆wafer ==》 切分独立晶圆 = 芯片（矩形） chip
芯片被连接到I/O引脚上 这一过程称为封装，之后交给客户

     改善性能的方法：

九、性能的定义

      减小时钟周期数。

个人计算机对降低响应时间比较感兴趣，但是服务器对提高吞吐率感兴趣

      增加时钟频率。

• 响应时间：计算机完成某个任务所需要的总时间

 例子：

性能X / 性能Y = 执行时间 Y / 执行时间X =n 也就是说X比Y快n倍，性能优于Y

• 吞吐率：也叫带宽 bandwidth 单位时间内完成的任务数

十、CPU的性能

CPU（执行）时间 执行某一个任务在CPU上花费的时间 具体分为：

• 1. 用户程序的时间 ，简称为用户CPU时间
• 1. 操作系统为用户服务如--等待I/O 或者运行其他程序的时间 系统CPU时间

十一、指令的性能

相同的程序所需要执行的指令数是一定的，这时候就要考虑执行每条指令的平均周期数，也就是 CPI 表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值，那么有如下的公式：

CPU时钟周期数=程序的指令数 X 每条指令的平均时钟周期数

十二、经典的CPU性能公式

 解答：     

CPU时间=指令数 X CPI X 时钟周期 = 程序的所有指令所占周期之和 X 周期时间

或者是：

CPU时间=指令数 X CPI / 时钟频率 = 程序的所有指令所占周期之和 / 时钟频率

永远记住：唯一能够被完全可靠测量的计算机性能指标是时间。

十三、谬误：改进计算机的某个方面时，总期望总性能的提高与改进大小成正比。

4、指令性能

Amdahl定律： 改进执行后的时间=受影响的改进时间/改进量 不受影响的执行时间

如果一个程序在一台计算机上一共要100s的运行时间，其中80秒是程序的乘法操作，如果要让该程序的运行速度提升五倍，乘法操作的改进量为n，那么有：
改进后的执行时间（20s）=(80s)/n (20s) 那么可以看见，n为无穷大。这就是amdahl 是收益递减定律的量化版本。

十四、计算机的新思想改进了产品的性价比：

• 1. 在程序中开发并行性，目前的典型方法是借助多处理器
• 1. 开发存储器层次结构的局部访问性，目前典型的方法是cache

（1）CPI(Clock cycle per instruction)

     表示执行每条指令所需的平均时钟周期数，是一个程序全部指令所用时钟周期数的平均值

            CPU时钟周期数 = 程序指令数 x CPI

      CPU时间 = 程序指令数 x CPI x 时钟周期

例子1：

                CPU时间A < CPU时间B 所以A快。

例子2：代码段的比较

解答：

5、性能的比较

       比较2台计算机性能时应该考虑三个因素：

    指令数、CPI、时钟频率

6、Amdahl定律

       简化常用事件，速度能够更快。

         采用更快的执行方式后所获得的系统性能提高，与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

     Amdahl定律可以阐述为：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后所获得系统性能的提高，与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

     Amdahl定律定义了一台计算机系统采用某种改进措施所取得的加速比。

例子1：

Tips:

小测试：

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