计算机组成原理提要（一）--计算机基本组成与主要技术指标

目录

1 计算机基本组成
冯诺依曼体系结构

哈佛结构

改进型哈佛结构

三种结构的对比和应用

2 计算机主要技术指标
机器字长

存储容量

运算速度

1.1 计算机基本组成

计算机处理器模型结构的分类：冯·诺依曼体系结构、哈佛结构、改进型哈佛结构

1. 冯·诺依曼体系结构

该结构由籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1946年提出。具有以下几个主要特点：

五大部件：运算器、控制器、存储器、输入、输出

程序存储：指令和数据不加区分，混合存储在同一寻址空间内

存储器线性编址，指令和数据顺序存放

指令由操作码和操作数组成

以运算器为核心

指令与数据以二进制表示

冯诺依曼体系结构模型如下图所示：



冯诺依曼体系结构的优缺点总结：

优点：

结构简单

成本低

缺点：

数据处理时访存瓶颈

2. 哈佛结构

哈佛结构区别于冯·诺依曼体系结构，主要有以下特点：

指令与数据独立存储

每个存储器独立编制（即指令与数据的地址是不相干的、独立访问）

典型的四总线结构：指令总线、指令地址总线、数据总线、数据地址总线

哈佛结构计算机在结构表现如下图：



哈佛结构同冯·诺依曼结构相比有如下优点和缺点：

优点：

数据与指令分离存储，因而能够在执行指令之前进行预取操作减轻了访存瓶颈

数据与指令拥有独立总线，一定程度上实现了并行结构

缺点：

结构比较复杂

实现比较困难

3. 改进型哈佛结构

改进型哈佛结构指的是在哈佛结构的基础上，做一个折中。折中方案将原来的四条总线改为两条总线。即改为公用数据总线和公用地址总线。公用数据总线用来传输指令或者数据，公用地址总线用来传输指令地址和数据地址。两条总线分别采用分时复用的方式。

改进型哈佛结构一定程度上降低了总线成本，在不改变指令和数据分离存储的原则上，改变总线结构

来达到降低成本和复杂度的目的。

4. 三种结构的对比和应用

三种结构的实际应用：

结构	产品
冯·诺依曼	x86、ARM7TDMI
哈佛结构	ARM9
改进型哈佛结构	8051

1.2 计算机主要技术指标

1.机器字长

机器字长是一个衡量计算机一次处理数据位宽的指标。通常其与CPU的寄存器位宽有关。机器字长对运算速度没有直接的影响，机器字长是一个衡量运算精度的参数。字长越长，则可表示的数据范围越大，数据运算的精度自然也就越大。另一方面，机器字长对于运算速度还是有一定的影响的，例如：想要在8位字长的机器上计算16位字长的数据，则至少需要执行两次运算才可以实现。这会使得计算机的运算速度大打折扣。

2.存储容量

计算机的存储器是呈分级结构的，详细见2.2存储器。现阶段的计算机分层结构更加复杂，对于一个基本的计算机模型结构来说，一般情况下至少包含两级（除寄存器）：主存、辅存

1.主存容量（内存）

主存对于计算机来说是十分重要的，主存利用易失性存储器提供“片内执行功能”。例如常用在微型计算机上的比较经典的SDRAM。计算机所有的程序必须先从辅存加载至内存才可以被CPU执行。CPU可以直接寻址主存空间（不考虑虚存的情况）。主存的容量是有上限的，这个上限与CPU的机器字长参数有关系。例如机器字长为32位的计算机上，由于地址寄存器只有32位，那么可寻址的空间即为2^32个字节。换算下来是4GB的空间，可见对于32位机器来说，主存容量也是其瓶颈之一。而对于目前普遍存在的64位机器而言，这个上限已经足够大了。

主存的容量对计算机的性能有一定的影响。表现在当需要运行较大的程序时。例如在装有4GB主存的32位字长机器上运行一个大小为8GB的程序，那么计算机的主存空间不足以将整个程序装载入主存。那么必须只装载一部分，当需要的数据不再主存时，通过一定的置换策略，将暂时不使用的数据交换到辅存从而节省空间供新数据的装载。

2.辅存容量（磁盘等）

辅存相对于内存而言，其并不是特别必须的。例如在程序完全装载如内存的情况下，取出辅存设备并不影响计算机的运行。辅存的存在主要是为了提供一种非易失的、大容量的、廉价的存储方案，方便用户程序与数据的长期保存。

辅存的容量通常以GB为单位进行表示。常见的辅存设备有：硬盘、软盘、光盘、磁带等。

3.运算速度

运算速度是反应计算机性能的最直观的参数，同时也是一个可以直观感受的参数。但是运算速度是一个受多种因素影响的性能指标，例如主频、操作类型、主存频率（频率高则存取快）等。

目前运算速度方面的衡量采用的参数主要有三种：MIPS/CPI/FLOPS

MIPS:Million Instruction Per Second，百万指令每秒。即每秒可以执行的指令数量，单位为百万

CPI：Cycle Per Instruction，指令机器周期。执行一条指令花费的时间。机器主频的倒数。

FLOPS：Floating Point Operation Per Second，每秒执行浮点操作的次数。