计算机组成原理复习2

一、字长、性能指标、CPU与单片机、程序计数器

在学习计算机组成原理，我们经常会接触到一堆术语，比如：

• 存储字长、数据字长、机器字长、操作系统位数
• 主频、时钟周期、CPI、IPC、MIPS
• CPU 与单片机的关系
• 程序计数器（PC）到底是什么？它为何对我们透明？

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✅ 一、存储字长、数据字长、机器字长与操作系统位数

这些“字长”听起来相似，实际指的是系统中不同维度的宽度。简单来说：

• 存储字长：内存一次能读写的数据位数
• 数据字长：CPU 一次能处理的操作数大小
• 机器字长：CPU 内部处理数据的自然单位，通常等于寄存器长度
• 操作系统位数：操作系统为处理器架构设计的位数接口（如 Windows 64位）

示例类比：

想象你在搬砖：

概念	类比
存储字长	每次能搬多少块砖（数据）
数据字长	一次能处理多少块砖的重量
机器字长	背包容量大小（处理单元大小）
操作系统位数	使用的搬砖工具匹配背包大小

✅ 总结：操作系统的位数必须与机器字长兼容；机器字长通常决定了数据字长与存储字长。

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二、主频、时钟周期、CPI、IPC、MIPS 的深入理解

这些是衡量 CPU 性能的核心指标，尤其是处理速度与吞吐能力。

关键定义

名称	含义
主频	每秒钟 CPU 的“心跳”次数，单位 Hz，例如 2GHz = 20亿次/秒
时钟周期	每个主频跳动的时间，= 1 / 主频
CPI	每条指令平均执行所需的时钟周期数
IPC	每个周期可执行多少条指令，= 1 / CPI
MIPS	每秒可执行的百万条指令数，衡量吞吐率

通俗类比：工厂生产

• 主频 = 每秒拧多少次螺丝（速度）
• CPI = 完成一个产品要拧多少下（复杂度）
• IPC = 每下能做几个产品（效率）
• MIPS = 每秒能产出多少个产品（吞吐量）

公式总结

执行时间 = (指令条数 × CPI) / 主频
MIPS = 主频 / (CPI × 10⁶)
IPC = 1 / CPI

示例计算：

• 主频 = 2GHz，CPI = 2
• 每秒可执行：2 × 10⁹ / 2 = 10⁹ 条指令
• MIPS = 10⁹ / 10⁶ = 1000 MIPS

注意：MIPS 是吞吐指标，不表示真实运行效率。

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三、CPU 与单片机的区别与联系

单片机（MCU）和 CPU 经常被混淆，它们的区别在于集成程度和应用场景。

什么是单片机？

单片机 = CPU + 内存 + IO + 定时器 + 串口 + 中断控制器……打包在一颗芯片中，可独立运行。

二者区别对比

项目	CPU	单片机（MCU）
是否能独立运行	❌ 需要外设支持	✅ 自带资源，能独立运行
功能组成	运算/控制核心	运算 + 存储 + IO 全部集成
应用场景	电脑、服务器、手机等高性能	家电、智能车、嵌入式、Arduino
CPU 是否包含？	是本体	是单片机的一个组成部分

单片机内置了一个 CPU，但 CPU 并不是单片机本身！

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四、程序计数器（PC）为什么对用户是透明的？

程序计数器（Program Counter，简称 PC）是 CPU 中的一个关键寄存器，它始终指向下一条即将执行的指令的内存地址。

那么，为什么它对我们“透明”呢？

1. 高级语言抽象屏蔽 PC

在 C、Python、Java 等高级语言中，用户只关注“做什么”，而不关心“下一条指令在哪”。编译器会把逻辑转换为机器码，并由 CPU 自动更新 PC。

2. 操作系统自动处理 PC

在多任务环境中，程序切换、中断、系统调用等都会自动保存和恢复 PC。操作系统帮你管理执行流程，无需手动干预。

3. 普通程序无法直接操作 PC

在现代 CPU 架构下，用户程序运行在非特权模式下，无权限访问 PC 寄存器。即使是汇编语言，也只能间接影响 PC（如跳转 jmp 指令），无法读取其值。

✅ 因此：程序计数器是 CPU 自己维护的控制器，对用户完全透明，不需、也不能手动操作。

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