计算机的基本是由什么组成？（下）

计算机为什么普遍采用二进制？

这是一个很常识性但非常重要的问题，冯.诺依曼计算机也叫存储程序 计算机，其中“存储程序”的概念是 指 将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器 ，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

我们更熟悉十进制的运算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数字，逢十进一。比如中国人从小背的“九九乘法表”其实就是十进制变种。但是计算机中使用二进制，只有0和1两个数字，逢二进一。

采用二进制的原因：

1. 二进制在自然界中最容易被表现出来。自然界中二值系统非常多，电压的高低、水位的高低、门的开关、电流的有无等等都可以组成二值系统，都可以用来做计算机。
2. 计算机依靠电力工作，通过电子原件的电压高低反应，很容易就表现出二进制的特性。从某种意义上说，中国古人的八卦是利用符号的二元形态来表示事物，这一点与二进制颇为相同。

64位和32位CPU的区别

64位、32位指的是CPU寄存器的数据宽度，也叫 CPU 的位宽，他们最主要区别在于CPU一次能计算多少字节数据

• 32位CPU，表明处理器 一次可以计算 4 个字节(Byte)，即一次可以计算32位(bit)数据。
• 64位CPU，表明处理器 一次可以计算 8 个字节(Byte)，即一次可以计算64位(bit)数据。

CPU的位数越高也将会使它的寻址范围、最大内存容量、数据传输和处理速度、数值精度等指标成倍增加，也就是CPU的处理能力得到大幅提升

我们都知道， 32位CPU最大支持4G内存 ,这是怎么算出来的？**2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,**注意B和b的区别 "CPU中32位"中的"位"并不是 内存中的"位bit"的概念，对应到内存中其实是"字节Byte" 由于32位最大内存寻址能力只能达到是4G左右，我们就算给32位的电脑装8G的内存条，也无法提高其计算能力

计算机性能

接下来介绍一下关于计算机性能相关的基本概念：

储存器的性能指标

储存器的性能指标主要和以下3个方面有关：

1. 存储容量：存储单元个数 * 储存字长（如1M*8bit）

其中：

• MAR位数反映储存单元的个数，即最多能表示多少个不同的状态

n个2进制位能表示 2^n个状态， 2^10=1 K,2^20=1 M,2^30=1 G,2^40=1 T

• MDR位数=储存字长=每个储存单元的大小

2. 单位成本：每位价格=总成本/总容量。
3. 存储速度：数据传输率=数据的宽度/存储周期

另外还有3个概念，再了解一下：

• **存取时间 **又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
• **存储周期 **又称为读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。
• **存储器带宽 **是单位时间里存储器所存取得信息量。

CPU的性能指标

当我们去京东淘宝上去买，CPU的时候，商家一般会写下面的信息：

12代 酷睿 i7-12700KF 处理器 12核20线程 单核睿频至高可达5.0Ghz 25M三级缓存 台式机CPU

其中除了一下CPU的型号，5.0Ghz是表示CPU性能的一个重要的指标

CPU主频： CPU内核的时钟频率，表示在 CPU内数字脉冲信号震荡的频率 ，常用单位为Hz。平时我们打游戏常说的超频，超的就是这个CPU主频。 CPU时钟周期 ：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中基本时间单位。执行一条指令的耗时 = CPI * CPU时钟周期, 其中CPI表示 执行一条指令所需的时钟周期数 一段程序的耗时 =指令数*CPI * CPU时钟周期， 如果我们想要提升CPU性能问题，其实就是要优化这三者。

系统整体的性能指标

计算机系统的性能主要受是下面3个指标

1. 数据通路带宽

数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

2. 吞吐量 指系统在单位时间内处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或 存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系 到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
3. 响应时间 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需 要的结果的等待时间。通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储 器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）

跑分软件，像鲁大师等，就是把多个预设好的程序(基准程序)在计算机上运行，然后根据运行需要 的时间，算出一个分数来评估计算机的性能，以便和其他计算机进行比较。

计算机功耗

通过上文CPU 执行时间 = 指令数*CPI * CPU时钟周期，我们知道程序的 CPU 的性能 受到 指令数、CPI 以及 CPU 主频 的影响， 指令数或者 CPI 工程师，由于影响条件复杂，没法直接干预，或者可能反向干预。主要手段是提高CPU的主频， CPU 变得更快，程序的执行时间自然就会缩短 ，

主频越高越好 ？

答案是否定的 由本文一开始，我们知道现在的计算机里的CPU,都是超大规模集成电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。通过电路的开关的"打开"和"关闭",来实现计算和储存的能力。

要想计算得更快，从硬件角度来说，就是单位体积多放一些晶体管。从软件角度，手动将CPU的主频提升。

但这2种手段，会增加CPU的耗电和散热，即功耗增加。虽然可以通过降低电压来缓解功耗的问题，但是一味地提升主频，提升的性能效果日益衰弱。后面为了提升性能，不再依赖堆硬件方面，计算机采用了从单核CPU到多核CPU，将CPU执行任务流水线化，高并发多线程等等更多的手段

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参考资料：

深入理解计算机系统

计算机组成原理

计算机组成原理(第2版)-唐朔飞