計(jì)算機(jī)組成原理第一章chp1-2

1.4計(jì)算機(jī)的軟件一、軟件的組成與分類 計(jì)算機(jī)軟件相對(duì)計(jì)算機(jī)硬件來說是看不見，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：系統(tǒng)軟件：用來簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化使用方法，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。它包括以下四類：①各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等②語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統(tǒng)④數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序。編輯課件1.4計(jì)算機(jī)的軟件二、軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機(jī)器語言程序，手工編譯二進(jìn)制碼匯編程序：符號(hào)語言程序，匯編程序匯編高級(jí)程序：算法語言/高級(jí)語言，機(jī)器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)軟件自動(dòng)生成系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件中間件技術(shù)虛擬計(jì)算等編輯課件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念一、多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體或智能設(shè)備，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。虛擬機(jī)：不同人看到計(jì)算機(jī)不同通常由五個(gè)以上不同的級(jí)組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如圖所示。編輯課件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念二、五級(jí)計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語言級(jí)，它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級(jí)也稱為混合級(jí)。編輯課件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念第四級(jí)是匯編語言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時(shí)，則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級(jí)可以不要。第五級(jí)是高級(jí)語言級(jí)，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級(jí)由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行。編輯課件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念三、軟件與硬件邏輯等價(jià)性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了任何操作可以由軟件來實(shí)現(xiàn)也可以有硬件來實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮各個(gè)方面的因素：價(jià)格速度可靠性存儲(chǔ)容量變更周期實(shí)體硬件機(jī)功能的擴(kuò)大固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）編輯課件四、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：主要研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定Amdahl于1964年在推出IBM360系列計(jì)算機(jī)時(shí)提出：程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性程序員：匯編語言、機(jī)器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)看到的：編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念編輯課件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念2、

計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，主要包括：確定數(shù)據(jù)通路的寬度確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度確定專用的功能部件確定功能部件的并行度設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)確定采用何種可靠性技術(shù)編輯課件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念3、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括：處理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)器件的集成度和速度專用器件的設(shè)計(jì)器件、模塊、插件、底版的劃分與連接信號(hào)傳輸技術(shù)電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等。編輯課件4、三者之間關(guān)系計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念，但隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念編輯課件五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類——按并行性(a)SISD結(jié)構(gòu)(b)SIMD結(jié)構(gòu)(c)MISD結(jié)構(gòu)(d)MIMD結(jié)構(gòu)圖1-7Flynn分類法中四種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)MMmMMmMMmMM2MM2MM2MM1MM1MM1MMPUnPU2PUnPUnPU2PU2PU1PU1PU1PUCUCUnCUnCU2CU2CU1CU1…………………CU1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念編輯課件1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)一、技術(shù)指標(biāo)機(jī)器字長(zhǎng)：運(yùn)算器一次運(yùn)行二進(jìn)制位數(shù)運(yùn)算速度描述一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的單位應(yīng)該是每秒執(zhí)行多少條指令如MIPS(MillionInstructionsPerSecond)每秒執(zhí)行百萬條指令.對(duì)于帶有浮點(diǎn)運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，常用每秒百萬個(gè)浮點(diǎn)操作MFLOPS（MillionFloationg-pointOperationsPerSecond）編輯課件1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)機(jī)器容量:計(jì)算機(jī)的容量實(shí)際上是指機(jī)器內(nèi)部主存儲(chǔ)器的容量。吞吐量:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指計(jì)算機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)能處理的信息量。也就是流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率。響應(yīng)時(shí)間:響應(yīng)時(shí)間指從給定計(jì)算機(jī)輸入到出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的輸出之間的時(shí)間間隔。響應(yīng)時(shí)間取決于用戶輸入的信息、系統(tǒng)特性以及在用戶輸入信息時(shí)系統(tǒng)正在處理的其他負(fù)載。編輯課件CPU執(zhí)行時(shí)間

=(CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序)X

時(shí)鐘周期=(CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序)÷

時(shí)鐘頻率=(指令條數(shù)/程序)

XCPIX時(shí)鐘周期CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序=(指令條數(shù)/程序)

XCPICPI=(CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序)÷(指令條數(shù)/程序)

CPI用來衡量以下各方面的綜合結(jié)果InstructionSetArchitecture（ISA）ImplementationofthatarchitectureprogramCPI：CyclesPerInstruction1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)編輯課件1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)舉例說明在已知指令系統(tǒng)內(nèi)部各類指令的執(zhí)行時(shí)間（Ti）情況下，對(duì)機(jī)內(nèi)運(yùn)行的典型程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，找出各類機(jī)器指令的使用頻度（fi）。才可計(jì)算出等效的指令執(zhí)行時(shí)間（T）。顯然，其等效的運(yùn)算速度應(yīng)為：編輯課件舉例說明指令名稱參數(shù)傳送指令加、減法指令乘、除法指令邏輯運(yùn)算指令其他指令其他指令使用頻度（％）3020102020執(zhí)行時(shí)間（ns）2004002500300250編輯課件舉例說明于是這臺(tái)機(jī)器的等效運(yùn)算速度應(yīng)為：=2*106條/秒=2MIPS編輯課件1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)必須緊緊以性能/價(jià)格比為核心性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、基準(zhǔn)程序、硬件測(cè)量工具價(jià)格的因素集成電路的工藝、產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、銷售過程性能價(jià)格設(shè)計(jì)的一些原則編輯課件1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)Amdahl定律：加速經(jīng)常使用的部分編輯課件

求平方根和浮點(diǎn)乘是圖形應(yīng)用中常用的轉(zhuǎn)換，假設(shè)求平方根操作在某機(jī)器的一個(gè)基準(zhǔn)程序中占總執(zhí)行時(shí)間的20%，浮點(diǎn)乘操作在該程序中占總執(zhí)行時(shí)間30%，現(xiàn)通過兩種方法加速兩操作：①增加專門的硬件處理求平方根，使其執(zhí)行速度為原來的10倍；②通過調(diào)整流水線把浮點(diǎn)乘速度提高為原來的1.6倍。問：采用兩種方法增強(qiáng)后此基準(zhǔn)程序加速比是多少？1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)編輯課件30%20%加速比=增強(qiáng)前時(shí)間/增強(qiáng)后時(shí)間

=1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6)=1/0.7075=1.41

=1/((1-0.3-0.2)+0.2/10+0.3/1.6)1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)編輯課件第一章小結(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念構(gòu)成：硬件和軟件層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理計(jì)算機(jī)的基本組成部分五大部件馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)存儲(chǔ)程序,自動(dòng)執(zhí)行以運(yùn)算器為中心計(jì)算機(jī)發(fā)展特點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念編輯課件第一章小結(jié)本章重點(diǎn):建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念掌握馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型以及計(jì)算機(jī)組成理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念本章難點(diǎn):計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行時(shí)控制器如何區(qū)分指令和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念編輯課件作業(yè)P15,4、6舉例說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程編輯課件復(fù)習(xí)1、運(yùn)算基礎(chǔ)1、進(jìn)位計(jì)數(shù)制-位置計(jì)數(shù)法

式中 i ——數(shù)位。

m,n ——正整數(shù)。

R ——基數(shù)。

Ki ——第i位數(shù)碼。編輯課件復(fù)習(xí)1、運(yùn)算基礎(chǔ)

位置計(jì)數(shù)法(帶權(quán)記數(shù)法)的數(shù)制均有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：(1)數(shù)碼個(gè)數(shù)等于基數(shù)，最大數(shù)碼比基數(shù)小1；(2)每個(gè)數(shù)碼都要乘以基數(shù)的冪次，而該冪次是由每個(gè)數(shù)所在的位置決定的，即“位權(quán)”，簡(jiǎn)稱權(quán)；(3)低位向高位的進(jìn)位是“逢基數(shù)進(jìn)1”編輯課件復(fù)習(xí)1、運(yùn)算基礎(chǔ)2、進(jìn)位計(jì)數(shù)制—幾種典型進(jìn)制

進(jìn)位計(jì)數(shù)制基數(shù)位權(quán)如：10011101B1234/1234D572Q（O）2F0AH123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-2復(fù)習(xí)1、運(yùn)算基礎(chǔ)3、二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部,采用二進(jìn)制,因?yàn)?.容易實(shí)現(xiàn)

.算術(shù)四則運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單

.可進(jìn)行二值邏輯運(yùn)算編輯課件4、各進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換舉例（1）、任意進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1

4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-2（2）、十進(jìn)制數(shù)→任意進(jìn)制數(shù)例：將十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

225余數(shù)整數(shù)

212K0=10.625×2=1.25k-1=126K1=00.25×2=0.5k-2=023K2=00.5×2=1k-3=121K3=10K4=1故25.625對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11001.101B復(fù)習(xí)1、運(yùn)算基礎(chǔ)（3）、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換例：1100010.1101111B=142.674Q1100010.1101111B=62.DEH142.674Q=001100010.110111100B4F5.C2H=010011110101.11000010B編輯課件復(fù)習(xí)2、基本邏輯電路邏輯函數(shù)：Y=F（A，B）（一）基本邏輯門電路（高電平表示邏輯“1”，低電平表示邏輯“0”）

復(fù)習(xí)2、基本邏輯電路（二）三態(tài)門（三）OC門編輯課件三態(tài)門應(yīng)用編輯課件OC門應(yīng)用編輯課件觸發(fā)器同步異步編輯課件多路選擇開關(guān)ABY00D001D110D211D3編輯課件end練習(xí)1某臺(tái)計(jì)算機(jī)只有Load/Store指令能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作，其它指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作。根據(jù)對(duì)某程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知每種指令所占的比例及CPI數(shù)如下：

指令類型 指令所占比例 CPI

算邏指令 43％1 Load指令 21％2 Store指令 12％2

轉(zhuǎn)移指令 24％2 編輯課件練習(xí)求上述情況下的平均CPI。假設(shè)該程序由M條指令組成。算邏運(yùn)算中25%的指令兩個(gè)操作數(shù)中的一個(gè)已在寄存器中，另一個(gè)必須在算邏指令執(zhí)行前用Load指令從存儲(chǔ)器取到寄存器。因此有人建議增加另一種算邏指令，其特點(diǎn)是一個(gè)操作數(shù)取自寄存器，另一個(gè)操作數(shù)取自存儲(chǔ)器，即寄存器存儲(chǔ)器類型，假設(shè)這種指令的CPI等于2。同時(shí)，轉(zhuǎn)移指令的CPI變?yōu)?。求新指令系統(tǒng)的平均CPI。編輯課件答CPI=(43×1＋21×2＋12×2＋24×2)％=1.5743％×25％＝11％指令類型 指令所占比例 CPI

新算邏指令11％

2

原算邏指令 32％

1 Load指令 10％

2 Store