第一章 計算機(jī)系統(tǒng)概論

《計算機(jī)組成原理》課程組《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》——本科生課程教學(xué)第一章計算機(jī)系統(tǒng)概述

計算機(jī)發(fā)展歷程

計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

1.計算機(jī)硬件的基本組成

2.計算機(jī)軟件的分類

3.計算機(jī)的工作過程

計算機(jī)性能指標(biāo)

吞吐量、響應(yīng)時間；CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間；MIPS、MFLOPS。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程

一、計算機(jī)語言的發(fā)展計算機(jī)的語言一般可分為三類：機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。1.機(jī)器語言

從計算機(jī)的發(fā)展歷史來看，最初在計算機(jī)中使用的語言不是高級語言，而是機(jī)器語言。用二進(jìn)制代碼表示的計算機(jī)語言稱為機(jī)器語言，

機(jī)器語言可以直接在計算機(jī)硬件中執(zhí)行。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程2.匯編語言用助記符編寫的語言稱為匯編語言，匯編語言需要通過匯編程序翻譯成目標(biāo)程序后才可執(zhí)行。例如，實現(xiàn)簡單加運算的匯編程序如下：

MOVA,3MOVB,5ADDA,BHALT1.1計算機(jī)發(fā)展歷程3.高級語言用高級語言編寫的程序稱為源程序。不同語言的源程序，對應(yīng)有不同的語言處理程序。語言處理方式有匯編程序、編譯程序、解釋程序三種。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程匯編程序的功能是把匯編語言編寫的源程序翻譯成機(jī)器語言的目標(biāo)程序，其翻譯過程稱為匯編。高級語言的處理程序，按其翻譯的方法不同，可分為解釋程序與編譯程序兩大類。解釋程序?qū)υ闯绦虻姆g采用邊解釋、邊執(zhí)行的方法，并不生成目標(biāo)程序；編譯程序必須先將源程序翻譯成目標(biāo)程序后，才能開始執(zhí)行。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程因此，計算機(jī)與語言有著密切的聯(lián)系?？梢詫⒂嬎銠C(jī)解題的過程歸結(jié)為：程序員編寫源程序?qū)⒊绦蜉斎胗嬎銠C(jī)，并由編譯程序編譯成目標(biāo)代碼由硬件裝置運行程序，并輸出結(jié)果1.1計算機(jī)發(fā)展歷程二、計算機(jī)軟件的發(fā)展1.裸機(jī)：沒有軟件的機(jī)器，早期的計算機(jī)屬于這種。2.軟件及發(fā)展

軟件（程序系統(tǒng)）：把能按人的思維進(jìn)行操作的各種程序稱為軟件系統(tǒng)或程序系統(tǒng)。

軟件發(fā)展：

機(jī)器語言：由0、1各種不同的代碼排列而成，且機(jī)器內(nèi)部有相應(yīng)電路執(zhí)行其代碼的各種操作。

手編程序：由人工直接用機(jī)器語言按照指令表編寫的目的程序。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程

匯編語言：用約定的文字符合、數(shù)字按規(guī)定的格式來表示不同的指令以編制程序。

匯編程序：把匯編語言變成機(jī)器能懂的語言的一種“翻譯程序”。

編譯語言：高級語言有很多種，如ALGOL、FORTRAN、COBOL、BASIC、PASCAL、C、ADA等。

編譯程序：把編譯語言變成機(jī)器能夠識別的一種“翻譯程序”總之，軟件的發(fā)展包括：

機(jī)器語言（手編程序）、匯編語言（匯編程序）、編譯語言（編譯程序）三個階段以及函數(shù)型語言、邏輯型語言等新的分支。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程三、計算機(jī)硬件的發(fā)展1.1642年Bascale(Pascal)創(chuàng)造了第一臺加減運算器，用于法國稅收控制，取得了很大的成績。為紀(jì)念他，有一種編譯語言就是以Pascal命名的。

1694年Leibuliz創(chuàng)造了完整的四則運算器。這以階段共同特點是：機(jī)器的每一步運算都要人工控制。19世紀(jì)20年代Babbage提出了自動計算機(jī)的設(shè)想。1889年Halleritn提出了用卡片來存儲指令和數(shù)據(jù)的原理，研制了卡片機(jī)。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程2.20世紀(jì)初IBM和Bell公司研制了許多繼電器式的計算機(jī)。3.

1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)研制了第一臺由程序控制的電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，它采用了18800個電子管，7000個電阻，10000個電容，1500個繼電器；重36噸，長30米，寬1米，高3米；加法運算速度5000次/秒,乘法運算速度500次/秒）主要缺點:(1)存儲容量小，只能存儲20個字長為10位的十進(jìn)制數(shù)；（2）用線路連接編程，每次解題都要人工改接線，準(zhǔn)備時間超出運算時間。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程1.1計算機(jī)發(fā)展歷程4.1949年Von.neumann與莫爾小組研制了EDVAC系統(tǒng)。

主要特點：（1）由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成；（2）采用存儲程序方式；（3）采用二進(jìn)制；（4）指令由操作碼和地址組成，按順序存放在存儲器中，由PC指明所在單元的地址；（5）機(jī)器以運算器為中心，I/O設(shè)備及MEM間的數(shù)據(jù)都通過運算器。5.電子器件的發(fā)展：1.1計算機(jī)發(fā)展歷程第一代計算機(jī)(1946～1957)----電子管時代。主要特點:電子管作為開關(guān)元件；使用機(jī)器語言；可以存儲信息；輸入輸出慢。第二代計算機(jī)(1958～1964)----晶體管時代。主要特點:晶體管代替電子管；采用磁心存儲器；匯編語言取代機(jī)器語言。

第三代計算機(jī)(1965～1971)----中小規(guī)模集成電路時代。主要特點:集成電路取代晶體管；采用半導(dǎo)體存儲器；使用了操作系統(tǒng)等。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程第四代計算機(jī)(1972至今)----超大規(guī)模集成電路時代主要特點:采用集成度很高的電路；出現(xiàn)了微處理器等。第五代計算機(jī)（目前）----新一代計算機(jī)*集成度：是指單塊芯片上所容納的元件數(shù)目。*線寬：加工電路圖形中最小線條寬度；在MOS電路中，常用柵極長度來表示線寬。（um--nm）*摩爾定律：18-24個月，集成度、性能翻番，價格減半；2015-2020逐漸減緩?？傊?，計算機(jī)硬件的發(fā)展包括兩個方面：

硬設(shè)備：看得見的硬件和設(shè)備，如板、卡、盤、打印機(jī)等

硬結(jié)構(gòu)：聯(lián)系各硬件的方案，如Von.Neumann結(jié)構(gòu)。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程四、計算機(jī)的發(fā)展趨勢1.研制高速度、強(qiáng)功能的巨型機(jī)；2.發(fā)展微型機(jī)及微處理器；3.發(fā)展計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程；4.發(fā)展軟件應(yīng)用工程。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程五、國內(nèi)外計算機(jī)的發(fā)展1.國外計算機(jī)的發(fā)展1938年KonradZuse建成了第一臺二進(jìn)制的機(jī)電式通用計算機(jī)Z-1;1943年AlanTuring等建成了一臺真空管計算機(jī);1945年J.W.Mauchley教授等建成了ENIAC;1947年由IBM公司和哈佛大學(xué)共同研制成自動機(jī)電式哈佛Mark-I計算機(jī);1948年曼徹斯特Mark-I成為第一臺存儲程序的數(shù)字計算機(jī);1952年EDVAC研制成功;1952年IBM研制成第一臺軍用的存儲程序電子計算機(jī)IBM701;1954年Univac1103A成為第一臺商用計算機(jī)開發(fā)成功;1.1計算機(jī)發(fā)展歷程1956年采用晶體管的Univac商用計算機(jī)開發(fā)成功;1960年DEC公司11月研制成PDP-1,第一臺具有顯示器和鍵盤的商用計算機(jī);1961年IBM研制成7030,號稱超級計算機(jī);1962年英國研制成Atlas計算機(jī),首次采用了虛擬存儲器和流水操作;1964年IBM宣布研制成System/360;1964年CDC6600研制成功,第一臺商用超級計算機(jī);1965年DEC推出PDP-8,采用晶體管線路;1968年SeymourCray設(shè)計成功CDC7600超級計算機(jī),40MFLOPS;1971年Intel推出第一個微處理器芯片4004;1.1計算機(jī)發(fā)展歷程1972年DEC推出PDP-11;1975年第一臺微型機(jī)Altair8800研制成功;1976年Cray-1研制成功,第一臺向量結(jié)構(gòu)超級計算機(jī);1977年Tony和Commodore推出商品微機(jī);1980年Apollo公司研制出第一臺工程工作站;1981年IBM推出PC機(jī);1982年CrayX-MP推出,將兩臺Cray-1鏈接在一起;1982年日本強(qiáng)調(diào)“第五代”計算機(jī)項目;1985年Cray-2和ConnectionMachine研制成功,性能均達(dá)每秒十億次運算;1989年Cray-3研制成功,采用砷化稼芯片;1991年CrayY-MPC90研制成功,采用16個CPU。1.1計算機(jī)發(fā)展歷程2.國內(nèi)計算機(jī)的發(fā)展1958年我國第一臺電子數(shù)字計算機(jī)投入運行（1956年開始設(shè)計）；1959年我國國產(chǎn)104型大型機(jī)投入運行；1967年我國第一臺晶體管大型機(jī)研制成功；1974年我國第一臺多用途集成電路小型機(jī)仿制成功；1983年12月成功研制巨型機(jī)“銀河機(jī)組”，1億次/秒；1992年11月19日鑒定了“銀河II機(jī)組”，10億次/秒，4個CPU，用了5年時間；1997年6月成功研制了“銀河III機(jī)組”，100億次/秒，128個CPU，可擴(kuò)展到2048個CPU，大規(guī)模并行運算；1999年5月18日鑒定了“探索108集群計算機(jī)系統(tǒng)”，160億次/秒。2008年6月25日“曙光5000”投入運行，230萬億次/秒。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)一、計算機(jī)硬件的基本組成實際應(yīng)用的計算機(jī)系統(tǒng)是由計算機(jī)硬件系統(tǒng)、計算機(jī)軟件系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的一個整體系統(tǒng)。一臺完整的計算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，如下圖所示。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計算機(jī)的所有實體部件的集合。1.計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼（Von.Neumann）結(jié)構(gòu)：由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等五個部分組成，這就是著名的Von.Neumann結(jié)構(gòu)。如下圖所示。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲程序計算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)在Von.Neumann結(jié)構(gòu)中，存在著兩股信息流：控制信息流和數(shù)據(jù)信息流?？刂菩畔⒘鳎喊巡僮髡叩囊鈭D和命令及時地傳給執(zhí)行部件，使之有節(jié)奏地啟動機(jī)器工作或完成后停機(jī)。數(shù)據(jù)信息流：把待運算的內(nèi)容傳送到指定的處所加工，并把結(jié)果送到指定的存儲地點。兩股信息流都來源于內(nèi)存儲器，出來后工控制信息流送到控制器并受控制器的調(diào)度，數(shù)據(jù)信息流則進(jìn)入運算器，并在運算器按控制器發(fā)來的命令進(jìn)行加工運算。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)為適應(yīng)信息流在各部件的順暢流通，Von.Neumann結(jié)構(gòu)中設(shè)計了三種類型的信息流通通路（即三種類型的總線）：地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB。CPU發(fā)出的控制命令經(jīng)控制總線CB送I/O、MEM，控制其指定的操作；同時CPU經(jīng)地址總線AB向MEM、I/O設(shè)備發(fā)送地址，并經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB傳送數(shù)據(jù)，使之協(xié)調(diào)控工作?？偩€是計算機(jī)內(nèi)部信息流通的一個通路，物理上的一組并行的導(dǎo)線，其數(shù)目與計算機(jī)字長有關(guān)。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)：特點：具有I/O總線和存儲總線，以CPU為中心，處理效率高。因存取數(shù)據(jù)時必須通過運算器，從而影響了運算器的工作效率。I/O1I/On..CPUMEMI/OBUSMEMBUS1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)以MEM為中心的雙總線結(jié)構(gòu)：特點：具有I/O總線和存儲總線，以MEM為中心，數(shù)據(jù)處理效率高。I/O1I/On..MEMCPUI/OBUSMEMBUS1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)：特點：所有的設(shè)備都聯(lián)接同一總線上，結(jié)構(gòu)簡單，增減設(shè)備容易。大多數(shù)微機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。CPUI/O1MEMI/O2I/On1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2.計算機(jī)硬件部件：PCARRAMDRHABIRIDPLAF1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（1）運算器組成：由累加器A，通用寄存器B和算術(shù)邏輯單元ALU組成。功能：完成算術(shù)運算和邏輯運算。累加器A(Accumulator):存放歷次累加和的一個寄存器。（即首先在A里存放一個二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)它接受另一二進(jìn)制數(shù)時，在接受過程中相加，最后A里存放和，通常用觸發(fā)器來實現(xiàn)這一功能。）通用寄存器B:用于存放參加運算的另一個操作數(shù)。算術(shù)邏輯單元ALU：一種執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算的裝置，由加法器和控制門組成。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（2）存儲器定義：計算機(jī)中用于完成記憶功能的設(shè)備叫做存儲器MEM。功能：存儲器具有按給定地址進(jìn)行寫入/讀出信息，并能長期保存信息的功能。字的概念：存入存儲器的信息（一串二進(jìn)制代碼）叫做字。字的分類：存儲器中的字基本上可分為兩類：一類時指令（即指令字）；另一類是操作數(shù)（即數(shù)據(jù)字）。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（3）控制器控制器由三大部件組成：指令部件、時序部件和控制部件指令部件：程序計數(shù)器PC(ProcedureCount)：存放現(xiàn)行指令地址，通常還決定下一條指令地址，其方法是將現(xiàn)行指令地址加1。指令寄存器IR(InstructionRegister):存放正在執(zhí)行的指令。指令譯碼器ID(InstructionDecoder):將指令的操作碼譯成相應(yīng)的控制信號去控制相應(yīng)的電路。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)時序部件：包括時鐘源、節(jié)拍發(fā)生器及微操作電路?？刂撇考河筛骺刂齐娐方M成。（4）I/O設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)：能將計算程序、原始數(shù)據(jù)及某些字符以計算機(jī)能識別的形式送到機(jī)器中，供機(jī)器自動計算用。輸出設(shè)備的任務(wù)：能將計算機(jī)的工作結(jié)果或回答信號以人能識別的各種形式表達(dá)出來。復(fù)合I/O設(shè)備：既能作為輸入又能作為輸出的設(shè)備。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)二、計算機(jī)軟件的分類計算機(jī)軟件＝程序＋數(shù)據(jù)＋文檔計算程序，因為它是無形的東西，稱為軟件或軟設(shè)施。軟件是指在硬件上運行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)軟件分類操作系統(tǒng) 語言處理程序服務(wù)性程序應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)瀏覽器實時控制軟件診斷、排錯程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)三、計算機(jī)的工作過程計算機(jī)的工作過程實質(zhì)上就是不斷地從存儲器中逐條取出指令，送到控制器，經(jīng)分析后送CU產(chǎn)生各種微操作命令，指揮各執(zhí)行部件完成相應(yīng)的操作，直到程序中全部指令執(zhí)行結(jié)束。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)【例如】一段簡單的匯編源程序如下所示，分析計算機(jī)的執(zhí)行過程。020

CLA

；累加器清0021

ADD30

；（AC）+（30）→AC

022

STA40

；（AC）→(40)023

NOP

；空操作

024

JMP21

；21→PC…030000006 ;數(shù)據(jù)

…040存和數(shù) ;數(shù)據(jù)指令的執(zhí)行過程如下：1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(1)CLA指令的指令周期一個機(jī)器周期一個機(jī)器周期取指令階段執(zhí)行指令階段開始取指令PC+1對指令譯碼執(zhí)行指令取下條指令PC+1取出CLA指令算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時序產(chǎn)生器時鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+1000020202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時序產(chǎn)生器時鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+1202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021000000執(zhí)行CLA指令1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(2)ADD指令的指令周期一個機(jī)器周期一個機(jī)器周期取指令階段執(zhí)行指令階段開始取指令PC+1對指令譯碼送操作數(shù)地址取下條指令PC+1取出操作數(shù)執(zhí)行加操作一個機(jī)器周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時序產(chǎn)生器時鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+12021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000021ADDADD300000210000220000300000060+6=6000006取出并執(zhí)行ADD指令1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(3)STA指令的指令周期

算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時序產(chǎn)生器時鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000022STASTA40000022000023000040000006000006000006取出并執(zhí)行STA指令1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(4)NOP指令和JMP指令的指令周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時序產(chǎn)生器時鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+1202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000024JMP21JMP21000024000021000006000025000021取出并執(zhí)行JMP指令1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)四、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機(jī)不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進(jìn)行程序設(shè)計，如下圖所示。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)器M4（高級語言級）

虛擬機(jī)器

M3（匯編語言級）

虛擬機(jī)器

M2（操作系統(tǒng)語言）

物理機(jī)器

M1（微程序）

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

硬件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微令。

第二級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。第三級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。第四級是高級語言級，這是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的

。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)在多級層次結(jié)構(gòu)中,將除硬件系統(tǒng)之外的上面三級層次稱為虛擬機(jī)。所謂虛擬計算機(jī)是指這個計算機(jī)只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計算機(jī)，至于下層是如何工作和實現(xiàn)的就不必關(guān)心了。簡而言之，虛擬計算機(jī)即是由軟件實現(xiàn)的機(jī)器。層次之間的關(guān)系緊密，上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)，層次劃分不是絕對的。也可以進(jìn)一步細(xì)分為七級結(jié)構(gòu)，如下圖所示。1.2計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)用戶級高級語言級匯編語言級系統(tǒng)軟件級機(jī)器級控制級數(shù)字邏輯級

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機(jī)虛擬機(jī)硬件固件硬件直接執(zhí)行Level0(門電路、電子線路)Level1(微程序或硬布線)Level2(指令集結(jié)構(gòu)ISA)Level3(操作系統(tǒng)、庫代碼)Level4(匯編語言代碼)Level5(C++，Java，等)Level6(可執(zhí)行程序)軟硬件界面（Interface）assemblercomplierOperatingSystemlibraryISAS/WH/WApplicationS/W：Software軟件H/W：Hardware硬件ISA：InstructionSetArchitecture指令集結(jié)構(gòu)1.3計算機(jī)性能指標(biāo)一、計算機(jī)性能指標(biāo)要了解一臺計算機(jī)的綜合性能可以從以下幾方面來衡量：1.CPU主頻：主頻是一個主要性能指標(biāo)，很大程度上決定了計算機(jī)的運算速度，單位是MHZ。CPU時鐘周期：T=1/f字長：字長標(biāo)志著機(jī)器的計算精度。運算速度：用“每秒鐘計算次數(shù)”來衡量，也可以用“每秒鐘執(zhí)行指令的數(shù)量”來衡量。運算方式：串行運算，并行運算。指令系統(tǒng)：根據(jù)指令功能齊全程度來衡量。中斷系統(tǒng)：單重中斷，多重中斷。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)2.MEM存儲周期：用存儲器從接收到讀寫命令開始，到完成讀寫操作需要的時間來衡量；它反映了存儲器的速度，也直接決定CPU的運算速度。存儲容量：存儲器所能存放的最大信息量，一般以字節(jié)為單位。如，1024B即1KB、MB、GB、TB等。3.I/O基本外設(shè)：機(jī)器能配套工作的必須設(shè)備。允許配置的最大外設(shè)量：能夠配置的最大外設(shè)數(shù)量。4.Software能夠配備軟件功能齊全程度，如操作系統(tǒng)的數(shù)量，在各種操作系統(tǒng)下可支持的語言，應(yīng)用軟件的兼容性。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)二、計算機(jī)系統(tǒng)的性能評價1.響應(yīng)時間響應(yīng)時間是指在用戶向計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送一個請求后，到系統(tǒng)對該請求做出響應(yīng)并獲得他所需要的結(jié)果所需的等待時間，其中包括了訪問磁盤和訪問主存儲器時間、CPU運算時間、輸入輸出動作時間以及操作系統(tǒng)工作的時間開銷等。2.吞吐率吞吐率定義為系統(tǒng)響應(yīng)用戶請求的速率。對于CPU，吞吐率可以表示為每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)，或每秒鐘執(zhí)行的浮點操作次數(shù)。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)3.CPU執(zhí)行時間單CPU計算機(jī)的CPU執(zhí)行時間主要取決三個因素：時鐘周期T、每條指令所需時鐘周期數(shù)CPI（CyclePerInstruction)和程序中總的指令數(shù)。設(shè)IN表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)，TC表示時鐘周期的時間長度，CPI為每條指令所需時鐘周期數(shù)，則該程序在CPU上運行所需的時間TCPU為：1.3計算機(jī)性能指標(biāo)其中指令總數(shù)主要取決機(jī)器指令系統(tǒng)和編譯技術(shù)，每條指令所需的時鐘周期數(shù)主要與計算機(jī)組成和指令系統(tǒng)有關(guān)，而時鐘周期則主要有硬件工藝和計算機(jī)組成決定。每條指令平均所需時鐘周期CPI是執(zhí)行整個程序所需CPU時鐘周期與程序中指令總數(shù)之商，或者說是執(zhí)行的各種指令的CPI的加權(quán)平均：式中，Ii表示第i類指令在程序中執(zhí)行次數(shù)，CPIi表示執(zhí)行一條第i類指令所需的平均時鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令總類數(shù)。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)4.MIPS(MillionInstructionsPerSecond)衡量CPU性能的一個指標(biāo)是每秒百萬次指令數(shù)MIPS，它反映計算機(jī)每秒可執(zhí)行的指令數(shù)。對于給定的一個程序，計算機(jī)的MIPS指標(biāo)可表示為：式中，TE表示執(zhí)行該程序所需時間。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)如果TE就是TCPU的話，則：式中，Rc表示式中速率，它是時鐘周期TC的倒數(shù)。MIPS指標(biāo)只適宜評價標(biāo)量機(jī)的性能。因為標(biāo)量機(jī)中執(zhí)行一條指令，一般可以得到一個運算結(jié)果。而向量指令通常要對多個數(shù)據(jù)元素進(jìn)行運算，得到多個運算結(jié)果，MIPS不能反映向量機(jī)中數(shù)據(jù)運算的速度。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)不同計算機(jī)的指令功能不完全相同，比較時應(yīng)考慮在內(nèi)。更合理的性能比較，一般采用相對MIPS指標(biāo)MIPSref，選擇一個參照計算機(jī)進(jìn)行性能比較。式中，Tref表示在參照機(jī)上程序總線時間，TV表示相同程序在要評價的計算機(jī)上的執(zhí)行時間。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)5.MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)另一個衡量CPU性能的指標(biāo)是每秒百萬次浮點運算數(shù)MFLOPS指標(biāo)。它反映計算機(jī)每秒可執(zhí)行多少次浮點運算。該指標(biāo)可用如下式子表示：式中，IFN表示程序中浮點運算次數(shù)。MFLOPS測量單位比較適用于衡量向量機(jī)的性能。它與MIPS指標(biāo)的一個重要區(qū)別是：在MIPS性能指標(biāo)中，不僅將數(shù)據(jù)運算指令計算在內(nèi)，而且將所有的服務(wù)性操作指令，如讀數(shù)取數(shù)、存儲數(shù)、轉(zhuǎn)移等都計算在內(nèi)，而MFLOPS中則不包含這些指令。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)6.Amdahl定律在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要平衡各功能部件之間的速度，為此IBM360系列機(jī)的主要設(shè)計者Amdahl提出了一個反映部件速度與系統(tǒng)整體性能關(guān)系的定律。Amdahl定律指出：系統(tǒng)中對某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻度，或所占總執(zhí)行時間的比例。Amdahl定律實際上定義了采取增強(qiáng)（加速）某部分功能處理后可獲取的性能改進(jìn)或執(zhí)行時間的加速比。1.3計算機(jī)性能指標(biāo)若以T0表示采用增強(qiáng)功能措施前完