計(jì)算機(jī)組成及體系 第一章概述

1、計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)第一章 概論 5/5/20221計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 安徽大學(xué)出版社u1.1計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的概述計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的概述u1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織u1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)u1.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的發(fā)展u1.5 Pentium 和和PowerPCu本章習(xí)題本章習(xí)題目錄5/5/202221.1計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的概述計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的概述5/5/20223計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)怎樣把不同的電路和元部件組合在一起，以創(chuàng)建更有效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成硬件和軟件之間的相互作用?相互關(guān)聯(lián)

2、相互關(guān)聯(lián)相互依賴相互依賴1.1計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的概述5/5/20224計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)集中討論計(jì)集中討論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為，主算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為，主要涉及的是程序員所熟悉的要涉及的是程序員所熟悉的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的邏輯方面的內(nèi)容系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的邏輯方面的內(nèi)容，指，指程序員能看得見的計(jì)算程序員能看得見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性機(jī)系統(tǒng)的屬性，換句話說，換句話說，就是這些屬性直接影響程序就是這些屬性直接影響程序的邏輯執(zhí)行。的邏輯執(zhí)行。計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成主要討論實(shí)主要討論實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的各部件和現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的各部件和它們間的相互連接，涵它們間的相互連接，涵蓋了有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的蓋了有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理構(gòu)成

3、的各個(gè)方面。物理構(gòu)成的各個(gè)方面。它所強(qiáng)調(diào)的是對(duì)它所強(qiáng)調(diào)的是對(duì)程序員程序員透明的硬件細(xì)節(jié)透明的硬件細(xì)節(jié)，如有，如有關(guān)控制信號(hào)（即怎樣控關(guān)控制信號(hào)（即怎樣控制計(jì)算機(jī)）、信號(hào)傳遞制計(jì)算機(jī)）、信號(hào)傳遞方式，以及存儲(chǔ)類型等方式，以及存儲(chǔ)類型等問題。問題。 1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件 1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件 1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.2.4 計(jì)算機(jī)的工作過程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織5/5/202251.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織5/5/20226 任何一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均由 硬件系統(tǒng) 和 軟件系統(tǒng) 兩部分組成。 1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/20227l計(jì)算機(jī)硬件（計(jì)算機(jī)硬件（Computer Hardw

4、are），是指），是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械和光電中由電子、機(jī)械和光電元件元件等組成的各種物理裝置的總等組成的各種物理裝置的總稱。這些物理裝置按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體稱。這些物理裝置按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體為計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)硬件的功能是為計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)硬件的功能是輸入并存儲(chǔ)輸入并存儲(chǔ)程序程序和數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行程序把數(shù)據(jù)加工成可和數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行程序把數(shù)據(jù)加工成可以利用的形式。以利用的形式。1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/20228u ENIAC是一臺(tái)十進(jìn)制（非二進(jìn)制）的機(jī)器，其數(shù)字以十進(jìn)制表示，其算法以十進(jìn)制完成。ENIAC需要手動(dòng)編

5、程，一切都要通過設(shè)置開關(guān)和插拔電纜頭來實(shí)現(xiàn)。l“存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”概念概念：計(jì)算機(jī)通過在存儲(chǔ)器中讀取程計(jì)算機(jī)通過在存儲(chǔ)器中讀取程序來獲取指令，通過設(shè)置一序來獲取指令，通過設(shè)置一部分存儲(chǔ)器的值來編寫和修部分存儲(chǔ)器的值來編寫和修改程序。改程序。uENIAC項(xiàng)目顧問約翰馮諾依曼，在1945年的一份新型計(jì)算機(jī)EDVAC首次公布“存儲(chǔ)程序”這一構(gòu)想。以此概念為基礎(chǔ)的各類計(jì)算機(jī)，統(tǒng)稱為馮諾依曼機(jī)。u馮諾依曼結(jié)構(gòu)，即存儲(chǔ)程序，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/20229圖1. 1馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖數(shù)據(jù)線控制線與反饋線以以運(yùn)算器為中心運(yùn)算器為中心的的馮馮諾依曼機(jī)諾依曼機(jī)1.2.1

6、計(jì)算機(jī)硬件5/5/2022101.計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成；2.程序以二進(jìn)制代碼的形式表示；3.程序存放于存儲(chǔ)器中，按地址訪存；4.所有的指令都由操作碼和地址碼組成；5.指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放；6.以運(yùn)算器為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的中心。馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是：1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/202211圖1. 2以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖數(shù)據(jù)線控制線反饋線以以存儲(chǔ)器為中心存儲(chǔ)器為中心的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/2022121.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/202213p這樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可認(rèn)為由這樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可認(rèn)為由三大部分組成三大部分組成

7、：CPU、I/O設(shè)設(shè)備及主存儲(chǔ)器備及主存儲(chǔ)器M.M(Main Memory)，如圖，如圖1. 3所示。所示。CPU與與M.M合起來又可稱為主機(jī)。合起來又可稱為主機(jī)。I/O設(shè)備可稱做外部設(shè)備設(shè)備可稱做外部設(shè)備。p由于由于運(yùn)算器和控制器運(yùn)算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)以后，這兩大緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)以后，這兩大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常將它們部件往往制作在同一芯片上，因此，通常將它們合起來統(tǒng)合起來統(tǒng)稱為中央處理器稱為中央處理器（Central Processing Unit），簡稱），簡稱C

8、PU。把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡稱為把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備（設(shè)備（Input/Output1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/202214圖1. 3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成框圖1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件5/5/2022151.2.2 計(jì)算機(jī)軟件5/5/202216p計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件(Computer Software)(Computer Software)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序及其文檔。程序是計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)象和中的程序及其文檔。程序是計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。程序必須裝入機(jī)器內(nèi)部才能工作，

9、文闡明性資料。程序必須裝入機(jī)器內(nèi)部才能工作，文檔一般是給人看的，不一定裝入機(jī)器。檔一般是給人看的，不一定裝入機(jī)器。 1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件5/5/202217計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)軟件用來簡化程序設(shè)計(jì)，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。應(yīng)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序。1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件5/5/202218例如，乘法運(yùn)算可以由硬件乘法器實(shí)現(xiàn)，也可以在加法器和移位器的支持下，通過執(zhí)行乘法子程序?qū)崿F(xiàn)。在用戶看來，乘法器和乘法子程序在實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的功能上是沒有區(qū)別的。實(shí)際上，在計(jì)算機(jī)中，有許多功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以在硬件支持下依靠軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)用戶

10、而言在功能上是等價(jià)的，這種情況稱為硬件、軟件在功能上的邏輯等價(jià)。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202219計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般分為7個(gè)層次：個(gè)層次：1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202220圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第0層數(shù)字邏輯層。各種邏輯門和引線。是基本的構(gòu)造模塊和數(shù)字邏輯的實(shí)現(xiàn)，是各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的共同部件。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202221圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層邏輯設(shè)計(jì)人員第1層控制系統(tǒng)層?？刂茊卧獙⒋_保正確地譯碼并執(zhí)行指令，并且適時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送到正確的位置?？刂茊?/p>

11、元會(huì)逐條解釋從第2層傳送過來的機(jī)器指令，一次解釋一條指令，指揮機(jī)器執(zhí)行所需要的正確動(dòng)作?？刂茊卧脑O(shè)計(jì)有兩種方式：一種是硬布線方式，另一種是微程序方式。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202222圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層邏輯設(shè)計(jì)人員在使用硬布線方式的控制單元中，控制信號(hào)由數(shù)字邏輯部件的電路模塊發(fā)送出來。這些控制信號(hào)指引著各種數(shù)據(jù)和指令流向系統(tǒng)的合適部位。通常，硬布線的控制單元的速度非?？欤坏┻@些硬布線的控制單元實(shí)現(xiàn)完成后，很難再修改。微程序是一個(gè)利用低級(jí)語言編寫的程序，這種低級(jí)語言可以由硬件直接執(zhí)行。計(jì)算機(jī)的第2層上生成的機(jī)器指令將被輸

12、入到這個(gè)微程序中，再由微程序來解釋各種指令，然后激活硬件執(zhí)行原始指令。一條機(jī)器層次的指令通常被翻譯成若干條微指令，對(duì)微程序方式的控制單元進(jìn)行修改要相對(duì)容易些。當(dāng)然，微程序的缺點(diǎn)也是顯而易見的，通常這種方式執(zhí)行指令的速度會(huì)比較慢。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202223圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第2層機(jī)器語言層邏輯設(shè)計(jì)人員機(jī)器語言程序員軟硬分界面第2層是傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器。這一層也稱為傳統(tǒng)機(jī)器層。它是一個(gè)抽象的層次，其主要特征就是指令系統(tǒng)。從設(shè)計(jì)者的角度看，指令系統(tǒng)是硬件與軟件之間的界面。指令系統(tǒng)層定義了硬件與編譯器之間的接口，它是一種硬件和

13、編譯器都能理解的語言。一方面，指令系統(tǒng)會(huì)表明一臺(tái)計(jì)算機(jī)具有哪些硬件功能，是硬件邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，在指令系統(tǒng)層，應(yīng)該設(shè)計(jì)一套在當(dāng)前和未來的技術(shù)條件下能夠高效率實(shí)現(xiàn)的指令集。另一方面，指令系統(tǒng)層需要為編譯器提供明確的編譯目標(biāo)，使編譯結(jié)果具有規(guī)律性和完整性。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202224圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第2層機(jī)器語言層第3層操作系統(tǒng)層邏輯設(shè)計(jì)人員機(jī)器語言程序員系統(tǒng)管理員軟硬分界面第3層是操作系統(tǒng)。從系統(tǒng)程序員的角度來看，操作系統(tǒng)是一個(gè)在指令系統(tǒng)層提供的指令和特性之上又增加了系統(tǒng)調(diào)用和特性的程序。這一層增加的系統(tǒng)調(diào)用是由運(yùn)

14、行在指令系統(tǒng)層上的操作系統(tǒng)解釋執(zhí)行的。操作系統(tǒng)層并不是為普通程序員的使用而設(shè)計(jì)的，它主要是為支持高層所需要的解釋器或者編譯器的運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。 1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202225圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第2層機(jī)器語言層第3層操作系統(tǒng)層第4層匯編語言層邏輯設(shè)計(jì)人員機(jī)器語言程序員系統(tǒng)管理員匯編語言程序員軟硬分界面第4層是匯編語言機(jī)器。由于直接使用機(jī)器指令代碼編程非常困難，匯編語言實(shí)際上就是“符號(hào)化”的機(jī)器語言，每一條機(jī)器語言指令都有一條匯編指令語句與之對(duì)應(yīng)，它是面向機(jī)器結(jié)構(gòu)的語言。從這一層看去，每一種計(jì)算機(jī)都有一套自己的匯編語言，解釋它

15、的匯編器，以及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)與開發(fā)方法。匯編語言層以及上層是提供給解決應(yīng)用問題的應(yīng)用程序員使用的。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202226圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第2層機(jī)器語言層第3層操作系統(tǒng)層第4層匯編語言層第5層高級(jí)語言層邏輯設(shè)計(jì)人員機(jī)器語言程序員系統(tǒng)管理員匯編語言程序員高級(jí)語言程序員軟硬分界面第5層是高級(jí)語言機(jī)器。該級(jí)的語言是各種高級(jí)語言，例如C、C、Java等，必須利用某種編譯程序或者解釋程序?qū)⑦@些高級(jí)語言翻譯成機(jī)器可以理解的語言，雖然編程人員必須知道數(shù)據(jù)類型和可用的各種指令，但是不必了解指令的具體執(zhí)行方式。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

16、的層次結(jié)構(gòu)5/5/202227圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第2層機(jī)器語言層第3層操作系統(tǒng)層第4層匯編語言層第5層高級(jí)語言層第6層應(yīng)用程序?qū)舆壿嬙O(shè)計(jì)人員機(jī)器語言程序員系統(tǒng)管理員匯編語言程序員高級(jí)語言程序員用戶軟硬分界面第6層是應(yīng)用程序系統(tǒng)。該層是大家最熟悉的層次用戶層，由各種應(yīng)用任務(wù)組成。在這個(gè)層次，主要是運(yùn)行各種程序，例如文字處理程序、圖形程序包、或者各種游戲等。從用戶層來看，較低層次是不可見的。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5/5/202228圖1. 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第1層控制系統(tǒng)層硬件設(shè)計(jì)人員第0層數(shù)字邏輯層第2層機(jī)器語言層第3層操作系統(tǒng)層第

17、4層匯編語言層第5層高級(jí)語言層第6層應(yīng)用程序?qū)舆壿嬙O(shè)計(jì)人員機(jī)器語言程序員系統(tǒng)管理員匯編語言程序員高級(jí)語言程序員用戶軟硬分界面5/5/2022291.2.4 計(jì)算機(jī)的工作過程這個(gè)過程大致需要經(jīng)過如下三步Hardware/Software Interface（界面）機(jī)器語言由指令代碼構(gòu)成，能被硬件直接執(zhí)行。 軟件和硬件的界面：軟件和硬件的界面： ISA（Instruction Set Architecture ） 指令集體系結(jié)構(gòu)軟件軟件硬件硬件Software System software(系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件) - 簡化編程過程，使硬件資源被有效利用簡化編程過程，使硬件資源被有效利用 操作系統(tǒng)（操

18、作系統(tǒng)（Operating System）：）：硬件資源管理，用戶接口硬件資源管理，用戶接口 語言處理系統(tǒng)：翻譯程序語言處理系統(tǒng)：翻譯程序+ Linker, Debug, Loader, etc -翻譯程序翻譯程序(Translator)有三類：有三類：匯編程序匯編程序(Assembler)：匯編語言源程序匯編語言源程序機(jī)器語言目標(biāo)程序機(jī)器語言目標(biāo)程序編譯程序編譯程序(Complier)：高級(jí)語言源程序高級(jí)語言源程序匯編匯編/機(jī)器語言目標(biāo)程序機(jī)器語言目標(biāo)程序解釋程序解釋程序(Interpreter )：將高級(jí)語言語句逐條翻譯成機(jī)器指令并立將高級(jí)語言語句逐條翻譯成機(jī)器指令并立即執(zhí)行即執(zhí)行,不生成

19、目標(biāo)文件。不生成目標(biāo)文件。 其他實(shí)用程序其他實(shí)用程序: 如：磁盤碎片整理程序、備份程序等如：磁盤碎片整理程序、備份程序等Application software(應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件) - 解決具體應(yīng)用問題解決具體應(yīng)用問題/完成具體應(yīng)用任務(wù)完成具體應(yīng)用任務(wù) 各類媒體處理程序：各類媒體處理程序：Word/ Image/ Graphics/ 管理信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng) (MIS) Game, 一個(gè)典型程序的轉(zhuǎn)換處理過程1 #include 23 int main()4 5 printf(hello, worldn);6 經(jīng)典的經(jīng)典的“ hello.c ”C-源程序源程序# i n c l u d e n

20、 n i n t m a i n ( ) n 104 62 10 10 105 110 116 32 109 97 105 110 40 41 10 123n p r i n t f ( h e l10 32 32 32 32 112 114 105 110 116 102 40 34 104 101 108l o , w o r l d n ) ; n 108 111 44 32 119 111 114 108 100 92 110 34 41 59 10 125hello.c的的ASCII文本表示文本表示計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別別hello.c源程序嗎？源程序嗎？不能，需要轉(zhuǎn)換為

21、機(jī)不能，需要轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言代碼器語言代碼! 即：編即：編譯譯程序的功能是：程序的功能是：輸出輸出“hello,world”Hello程序的數(shù)據(jù)流動(dòng)過程“hello”Hello可執(zhí)行文件可執(zhí)行文件Red：shell命令行處理命令行處理Blue：可執(zhí)行文件加載：可執(zhí)行文件加載Cyan：hello程序執(zhí)行過程程序執(zhí)行過程“hello”“hello,world/n”“hello,world/n”所有過程都是在所有過程都是在CPU執(zhí)行指令所產(chǎn)生的控制信號(hào)的作用下進(jìn)行的。執(zhí)行指令所產(chǎn)生的控制信號(hào)的作用下進(jìn)行的。數(shù)據(jù)經(jīng)常在各存儲(chǔ)部件間傳送。故現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多采用數(shù)據(jù)經(jīng)常在各存儲(chǔ)部件間傳送。故現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多采用

22、“緩存緩存”技術(shù)！技術(shù)！unix ./hellohello, worldunixEnter 1.3.1 機(jī)器字長 1.3.2 主頻 1.3.3 存儲(chǔ)容量 1.3.4 運(yùn)算速度1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)5/5/2022345/5/2022351.3.1機(jī)器字長365/5/2022機(jī)器字長是指CPU一次性能處理的二進(jìn)制位數(shù)，即CPU能進(jìn)行多少位二進(jìn)制數(shù)的并行運(yùn)算，實(shí)際上是指該計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器有多少位。通常計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線和寄存器的位數(shù)與機(jī)器字長一致。字長越長，數(shù)的表示范圍就越大，精度也越高。機(jī)器字長的單位可用“位（bit）”或“字節(jié)”，位是計(jì)算機(jī)內(nèi)最小的信息單位。1.3.2主頻5/5/2022

23、37CPU工作的節(jié)拍是由主時(shí)鐘控制的。主時(shí)鐘不斷地產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘脈沖，時(shí)鐘脈沖的頻率就是CPU的主頻率。主頻率越高，CPU的工作節(jié)拍越快，因此主頻是影響機(jī)器運(yùn)算速度的重要參數(shù)。主頻和實(shí)際的運(yùn)算速度存在一定的關(guān)系，但并不是一個(gè)簡單的線性關(guān)系。主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度。CPU的運(yùn)算速度還要看CPU的流水線、總線等各方面的性能指標(biāo)。1.3.3 存儲(chǔ)容量5/5/2022381.3.3 存儲(chǔ)容量5/5/2022391.3.4 運(yùn)算速度5/5/2022401.3.4 運(yùn)算速度5/5/2022411.3.4 運(yùn)算速度5/5/202242反映了與CPU性能相關(guān)的3個(gè)參數(shù)CPU時(shí)鐘周期數(shù)=C

24、PI IC1.3.4 運(yùn)算速度5/5/2022431.3.4 運(yùn)算速度5/5/202244NiiiICCPI1ICICCPINiii/1NiiiICICCPI1/iCPIiICCPU執(zhí)行時(shí)間 1.3.4 運(yùn)算速度5/5/202245指令類型 指令條數(shù) 平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)類型 40000 1數(shù)據(jù)傳送 30000 2浮點(diǎn)運(yùn)算 20000 2控制傳送 10000 21.3.4 運(yùn)算速度5/5/202246解：程序的總指令條數(shù)為： IC = = 40000 + 30000 + 20000 + 10000 = 105 指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)為： CPI = = （1 40000 + 2 30000 + 2

25、 20000 + 2 10000）/ 105 = 1.6 測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間為： CPU執(zhí)行時(shí)間 = 時(shí)鐘周期長度 = 時(shí)鐘頻率 = （1 40000 + 2 30000 + 2 20000 + 2 10000）/ 4 108 = 4 10-4 sNiiIC1ICICCPINiii/1NiiiICCPI1/1NiiiICCPI1.3.4 運(yùn)算速度5/5/2022473.MIPS和MFLOPS1.3.4 運(yùn)算速度5/5/202248（1）MIPS（Million Instructions Per Second） 對(duì)于一個(gè)給定的程序，它的MIPS為： MIPS = 程序指令條數(shù) / (程序執(zhí)行時(shí)間

26、 106) = 時(shí)鐘頻率/ (CPI 106) 程序執(zhí)行時(shí)間Te為： Te = 指令條數(shù) / （MIPS 106） MIPS依賴于指令集，用這個(gè)指標(biāo)比較指令集不同的機(jī)器性能是不準(zhǔn)確的。1.3.4 運(yùn)算速度5/5/202249（2）MFLOPS（Million FLoating-point Operation Per Second）對(duì)于一個(gè)給定的程序，它的MFLOPS為： MFLOPS = 程序浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù) / (程序執(zhí)行時(shí)間 106) 優(yōu)點(diǎn)：比較適用于衡量有大量浮點(diǎn)運(yùn)算操作的高性能計(jì)算機(jī)的性能。 缺點(diǎn)：MFLOPS只能用來衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，而不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能。MFLOPS評(píng)價(jià)不同機(jī)

27、器并非完全可靠，因?yàn)椴煌臋C(jī)器其浮點(diǎn)運(yùn)算指令集可能不同。 1.4.1計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展 1.4.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展5/5/202250 1.4.1計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展5/5/202251世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC是1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)制成的。這臺(tái)機(jī)器用了18000多個(gè)真空管，占地約1500平方英尺，重量達(dá)30噸，工作時(shí)消耗140千瓦的功率，而運(yùn)算速度只有5000次/秒。The First Generation: Vacuum Tube Computers (1946 - 1957)The first general-purpose computer - EN

28、IACENIAC-Non von Neumann ModelBACK5/5/202254 1.4.1計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展自這臺(tái)計(jì)算機(jī)問世以來，從使用器件的角度來說，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了四代的變化。第一代為1946年開始的電子管計(jì)算機(jī)。第二代為1959年開始的晶體管計(jì)算機(jī)。第三代為1965年開始的中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。第四代為1972年開始的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史第二代：晶體管第二代：晶體管 195864年年元器件：元器件：邏輯元件采用晶體管，內(nèi)存由磁邏輯元件采用晶體管，內(nèi)存由磁芯構(gòu)成，外存為磁鼓與磁帶。芯構(gòu)成，外存為磁鼓與磁帶。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：變址，浮點(diǎn)運(yùn)算，多路存儲(chǔ)器，

29、變址，浮點(diǎn)運(yùn)算，多路存儲(chǔ)器，I/O處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)(非總線結(jié)構(gòu)非總線結(jié)構(gòu))。軟件：軟件：使用高級(jí)語言，提供了系統(tǒng)軟件。使用高級(jí)語言，提供了系統(tǒng)軟件。代表機(jī)種：代表機(jī)種：IBM 7094 (scientific)、1401 (business)和和 DEC PDP-1DEC PDP-1晶體管：晶體管：Transistor計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史第三代：SSI/MSI 196571年元器件：邏輯元件與主存儲(chǔ)器均由集成電路（IC）實(shí)現(xiàn) 。特點(diǎn)：微程序控制，Cache，虛擬存儲(chǔ)器，流水線等。代表機(jī)種：IBM 360和DEC PDP-8（大/巨型機(jī)與小型機(jī)同時(shí)發(fā)展 ）巨型機(jī)(Superco

30、mputer)：Cray-1大型機(jī)(Mainframe)：IBM360系列小型機(jī)(Minicomputer)：DEC PDP-8Cray-15/5/202257摩爾定律內(nèi)容：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍；摩爾定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。 1.4.1計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展戈登摩爾IBM System/360系列計(jì)算機(jī)IBM公司于1964年研制成功引入了“兼容機(jī)”（“系列機(jī)”）概念兼容機(jī)的特征 ：相同的或相似的指令集相同或相似的操作系統(tǒng)更高的速度更多的I/O端口數(shù)更大的內(nèi)存容量更高的價(jià)格低端機(jī)指令集是高端機(jī)的一個(gè)低端機(jī)指令集是高端機(jī)的一個(gè)子集，稱為子集，稱

31、為“向后兼容向后兼容”。功。功能相同，而性能不同。能相同，而性能不同。IBM 360問題問題1：引入：引入“兼容機(jī)兼容機(jī)”有什么好處？有什么好處？問題問題2：實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)“系列機(jī)系列機(jī)”的關(guān)鍵是什么？的關(guān)鍵是什么？DEC公司的公司的PDP-8機(jī)機(jī)同在64年出現(xiàn)。與IBM 360相比，價(jià)格更低、更小巧，因而被稱為小型機(jī)（Minicomputer）PDP-8“創(chuàng)造了小型機(jī)的概念，并使之成為數(shù)十億美元的工業(yè)”，使DEC成為了最大的小型機(jī)制造商。主要特點(diǎn)：首次采用總線結(jié)構(gòu)。 Omnibus總線包含了96個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，用以傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種

32、配置。PDP8/E計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖問題：問題：“總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)”有什么好處？有什么好處？具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種配置節(jié)省器件，體積小，價(jià)格便宜計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史（第四代：第四代：LSI/VLSI/ULSI 1972至今）至今）微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展迅猛，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展迅猛，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。 使計(jì)算機(jī)以辦公設(shè)備和個(gè)人電腦的方式走向普通用戶。使計(jì)算機(jī)以辦公設(shè)備和個(gè)人電腦的方式走向普通用戶。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器70年年Fairchild公司生產(chǎn)出第一個(gè)相對(duì)大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器公司生產(chǎn)出第一個(gè)相對(duì)大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器74年位價(jià)格低于磁芯的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器出現(xiàn)，并快速下跌年