计算机工作原理和性能指标
计算机工作原理和性能指标
教学课时：2课时
教学目标：
理解冯·诺依曼结构及其“程序存储”设计思想，了解其性能指标
教学重点：
冯·诺依曼的程序存储设计思想
教学过程：
一、计算机工作原理
计算机的工作过程就是执行程序的过程。怎样组织程序，涉及到计算机体系结构问题。
现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。
1、冯．诺依曼（V on Neumann）的“程序存储”设计思想
冯．诺依曼是美籍匈牙利数学家，他在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基
本设想。到现在为止，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言，仍然是根据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯．诺依曼结构计算机。
（冯·诺依曼的结构图）
冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：
（1）计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。
（2）计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个 地址码。其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。
（3）采用存储程序方式。将编好的程序送人内存储器中，然后启动计算机工作，计算机勿需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。
从以上三条可以看出，以前所有的讨论都是针对冯．诺依曼设计思想论述的，不过没
有明确指出其人罢了。冯．诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对“程序存储”概念的具体化。
2、计算机的工作过程
了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输人设备送到存储器中保存起杂，即程序存储。接来就是执行程序的问题了。根据冯．诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令：
（1）取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存；
（2）分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，译出该指令对应的微操作；
（3）执行指令：根据招令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址；
（4）为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。
二、计算机的工作原理
计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制，按照程序编排的顺序，一步一步地取出命令，自动地完成指令规定的操作。
1、预先把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据输入到计算机内存中，每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地方去等步骤。
2、计算机在运行时，先从内存中取出第1条指令，通过控制器的译码器接受指令的要求，再从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，取出第2条指令，在控制器的指挥下完成规定操作，依此进行下去，直到遇到停止指令。
3、计算机中基本上有两股信息在流动。一种是数据，即各种原始数据、中间结果和程序等。原始数据和程序要由输入设备输入并经运算器存于存储器中，最后结果由运算器通过输出设备输出。在运行过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，中间结果也要存入存储器中。人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器，再由控制器向机器的各个部分发出相应的控制信号。另一种信息是控制信息，它控制机器的各部件执行指令规定的各种操作。
三、计算机的性能指标
1、基本字长
基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。
2、主存容量
主存储器是CPU 可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。
3、外存容量
外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。
4、运算速度
同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。常用的有CPU 时钟频率、每秒平均执行指令数（ips ）、单独注明时间等。
5、所配置的外围设备及其性能指标
外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素，所以在系统技术说明中常给出允许配置情况与实际配置情况。
6、系统软件配置情况
作为一种硬件系统，允许配置的系统软件原则上是可以不断扩充的，但实际购买的某个系统究竟已配置哪些软件，则表明它的当前功能。
四、作业
1、冯·诺依曼（Von Neumann）的“程序存储”设计思想是什么？
2、当前衡量计算机的性能指标主要有哪些？