绪论

计算机的发展方向

• 巨型化: 速度快、容量大、功能强的巨型计算机
• 微型化: 体积小、功耗低、成本低
• 网络化: 计算机技术和通信技术紧密结合
• 智能化: 计算机具有人工智能和学习能力
• 异构化: 适应多种计算需求，未来不再是 CPU 一家独大，而是 CPU、GPU、NPU、DPU 协同工作的体系。

计算机的特点

• 运算速度快
• 计算精度高
• 存储能力和逻辑判断能力强
• 通用性强
• 工作自动化

冯·诺依曼结构

I/O 设备，存储器，运算器(算术逻辑运算部件 ALU)，控制器

存储程序原理

• 硬件构成: 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分构成
• 二进制原理: 指令和数据都以二进制的形式顺序存放在存储器中
• 程序控制原理: 机器自动顺序取出每条指令进行分析，执行其规定的操作

核心思想: 存储程序和程序控制

计算机的主要性能指标

机器字长、主存容量、运算速度（MIPS,MFLOPS,主频，CPI）、响应时间、吞吐量

• 机器字长: CPU 一次最多处理的二进制数据位数。决定了寄存器、运算器、数据总线的位数
• 内存容量:
  • 字节数（微机主存按字节编址）
  • 字数 $\times$ 字长（某些计算机按字编址）
• 运算速度:
  • 主频: CPU 内核工作的主时钟频率
  • CPI (Cycle Per Instruction): 执行一条指令所需的平均时钟数
  • 每秒执行指令的次数
    • MIPS 每秒执行百万条指令数
    • MFLOPS 每秒执行百万浮点运算
    • $E={10}^{18},Z={10}^{21}$
  • CPU 时间: 执行程序花费的 CPU 时间，时钟周期 $\times$ 时钟数
  • 响应时间: 发出请求到系统完成处理并给出响应经历的时间
    • 响应时间 = CPU 时间 + 访存等待时间 + I/O 耗时 + 操作系统开销 + 外部总线延迟
    • 是衡量机器性能最可靠的标准
  • 吞吐量: 一定时间内完成的工作总量