計(jì)算機(jī)組成ppt

1、西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)學(xué)時(shí)：7820學(xué)分：5.5車向泉email: 2計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)教材：教材：計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裘雪紅等編著，西安電子科技大學(xué)出版社，裘雪紅等編著，西安電子科技大學(xué)出版社，2012.3考核方式：考核方式：筆試（閉卷）筆試（閉卷）綜合綜合成績成績期末考試期末考試60%實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)20% 期中考試期中考試10%平時(shí)成績平時(shí)成績10%平時(shí)成績：課堂測(cè)驗(yàn)，作業(yè)情況，到平時(shí)成績：課堂測(cè)驗(yàn)，作業(yè)情況，到課課情況。情況。3計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)第第1章章 序論序論第第2章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示第

2、第3章章 運(yùn)算方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器第第4章章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)第第5章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)第第6章章 中央處理器中央處理器第第7章章 流水線技術(shù)與指令級(jí)并行流水線技術(shù)與指令級(jí)并行第第8章章 總線與輸入總線與輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)第第9章章 并行體系結(jié)構(gòu)并行體系結(jié)構(gòu)西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)第1章 緒論5第第1章章 序論序論n計(jì)算機(jī)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)的發(fā)展史n計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成n計(jì)算機(jī)的分層組織結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的分層組織結(jié)構(gòu)n計(jì)算機(jī)的分類、性能描述計(jì)算機(jī)的分類、性能描述西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)第1章 緒論1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)的發(fā)展史7

3、n電子模擬計(jì)算機(jī)：電子模擬計(jì)算機(jī)：由模擬電子器件（如模擬加法器、減法器、乘法器、由模擬電子器件（如模擬加法器、減法器、乘法器、除法器等等）構(gòu)成除法器等等）構(gòu)成n電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：能對(duì)能對(duì)離散邏輯符號(hào)離散邏輯符號(hào)表示的表示的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)或或信息信息進(jìn)行進(jìn)行自動(dòng)處理自動(dòng)處理的電子裝置。的電子裝置。8一、發(fā)展經(jīng)歷一、發(fā)展經(jīng)歷n第第0代：機(jī)械計(jì)算器代：機(jī)械計(jì)算器算盤、計(jì)算尺、手搖機(jī)械計(jì)算器算盤、計(jì)算尺、手搖機(jī)械計(jì)算器n第第1代代( (19461954) )：電子管電子管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)電子管、電磁繼電器，機(jī)器語言編程電子管、電磁繼電器，機(jī)器語言編程如：如：ENIAC、IBM 701n第第2代代( (195519

4、64) )：晶體管晶體管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)晶體管、磁芯，監(jiān)控程序，高級(jí)語言晶體管、磁芯，監(jiān)控程序，高級(jí)語言如：如：IBM 7030、Univac LARCn第第3代代( (19651974) )：中小規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第4代代( (19751990) )：超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第5代代( (1991？) )：高性能智能計(jì)算機(jī)：高性能智能計(jì)算機(jī)Babbage Difference Engine 巴貝奇的差分機(jī)巴貝奇的差分機(jī)nCharles Babbage在英國皇家資金在英國皇家資金援助下開發(fā)。援助下開發(fā)。n能用能用20位十進(jìn)制位十進(jìn)制計(jì)算完成計(jì)算完成

5、7次多次多項(xiàng)式的計(jì)算。項(xiàng)式的計(jì)算。n1833年由于開發(fā)年由于開發(fā)費(fèi)用耗盡導(dǎo)致開費(fèi)用耗盡導(dǎo)致開發(fā)中斷。發(fā)中斷。9n1991年倫敦國家科學(xué)博物館根據(jù)巴貝奇的設(shè)計(jì)，利用當(dāng)時(shí)年倫敦國家科學(xué)博物館根據(jù)巴貝奇的設(shè)計(jì)，利用當(dāng)時(shí)機(jī)械加工的精度制作了階差設(shè)施，證明了這臺(tái)機(jī)器能夠正機(jī)械加工的精度制作了階差設(shè)施，證明了這臺(tái)機(jī)器能夠正確運(yùn)作確運(yùn)作?！癉ifference Engine No.2”Babbage Difference Engine 巴貝奇的差分機(jī)巴貝奇的差分機(jī)存儲(chǔ)階差的存儲(chǔ)階差的柱子柱子( (背面背面) )10依次對(duì)依次對(duì)7 7個(gè)階差相加個(gè)階差相加將計(jì)算結(jié)果傳給將計(jì)算結(jié)果傳給打印機(jī)的軸打印機(jī)的軸實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)

6、2020位位加法的柱子加法的柱子由人旋轉(zhuǎn)由人旋轉(zhuǎn)的手柄的手柄傳遞動(dòng)力傳遞動(dòng)力的軸的軸打印機(jī)的打印機(jī)的印刷部分印刷部分石膏盤石膏盤輸送部分輸送部分ENIAC11IBM 703012IBM 7030 Stretch circuit boardThe IBM 7030 System Operators Console13一、發(fā)展經(jīng)歷一、發(fā)展經(jīng)歷n第第0代：機(jī)械計(jì)算器代：機(jī)械計(jì)算器n第第1代代( (19461954) )：電子管電子管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第2代代( (19551964) )：晶體管晶體管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第3代代( (19651974) )：中小規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)小規(guī)模

7、及中規(guī)模集成電路芯片、多層印刷電路板、小規(guī)模及中規(guī)模集成電路芯片、多層印刷電路板、磁芯存儲(chǔ)器，高級(jí)語言、分時(shí)操作系統(tǒng)磁芯存儲(chǔ)器，高級(jí)語言、分時(shí)操作系統(tǒng)如：如：IBM 360，IBM 370，DEC PDP-8n第第4代代( (19751990) )：超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第5代代( (1991？) )：高性能智能計(jì)算機(jī)：高性能智能計(jì)算機(jī)14一、發(fā)展經(jīng)歷一、發(fā)展經(jīng)歷n第第0代：機(jī)械計(jì)算器代：機(jī)械計(jì)算器n第第1代代( (19461954) )：電子管電子管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第2代代( (19551964) )：晶體管晶體管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第3代代( (19651974) )

8、：中小規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第4代代( (19751990) )：超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)l大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器l微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)lDOS、Windows、UnixlIBM 3090，VAX 9000，IBM PC 兼容機(jī)，兼容機(jī)，蘋果蘋果Macintoshn第第5代代( (1991？) )：高性能智能計(jì)算機(jī)：高性能智能計(jì)算機(jī)15一、發(fā)展經(jīng)歷一、發(fā)展經(jīng)歷n第第0代：機(jī)械計(jì)算器代：機(jī)械計(jì)算器n第第1代代( (19461954) )：電子管電子管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第2

9、代代( (19551964) )：晶體管晶體管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第3代代( (19651974) )：中小規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第4代代( (19751990) )：超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)n第第5代代( (1991？) )：高性能智能計(jì)算機(jī)：高性能智能計(jì)算機(jī)l超大規(guī)模、超高速集成電路超大規(guī)模、超高速集成電路l多處理器、多核處理器多處理器、多核處理器l高性能計(jì)算機(jī)，如集群系統(tǒng)高性能計(jì)算機(jī)，如集群系統(tǒng)16二、摩爾定律二、摩爾定律戈登戈登摩爾（摩爾（Gordon Moore），），1965 年，年，“摩爾定律摩爾定律”：集成電路芯片的集成度每集成電路芯片的集

10、成度每18個(gè)月翻一番。個(gè)月翻一番?！凹啥燃啥忍岣咛岣?00倍，則相對(duì)倍，則相對(duì)價(jià)格價(jià)格可以降低可以降低100倍、倍、性能性能可提高可提高100倍、倍、可靠性可靠性也可以提高也可以提高100倍。倍。”摩爾定律的未來：新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，使芯片摩爾定律的未來：新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，使芯片的集成度進(jìn)一步提高成為可能。的集成度進(jìn)一步提高成為可能。Fairchild Semiconductor Corporationn仙童仙童半導(dǎo)體公司半導(dǎo)體公司（飛兆飛兆半導(dǎo)體公司半導(dǎo)體公司）n與與德克薩斯儀器公司（德克薩斯儀器公司（TI）共同擁有共同擁有集成電路發(fā)明集成電路發(fā)明專利專利。n“仙童半導(dǎo)體公司就象個(gè)

11、成熟了的蒲公英，你一吹仙童半導(dǎo)體公司就象個(gè)成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風(fēng)四處飄揚(yáng)了。它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風(fēng)四處飄揚(yáng)了。” Steve Jobsl查爾斯查爾斯斯波克斯波克( (總經(jīng)理總經(jīng)理) )、杰里杰里桑德斯桑德斯： 1967年年出走出走，在國家半導(dǎo)體公司，在國家半導(dǎo)體公司( (National Semiconductor Corporation) )擔(dān)任擔(dān)任CEO；l諾依斯諾依斯、摩爾摩爾( (研發(fā)部主管研發(fā)部主管) )、葛羅夫葛羅夫： 1968年年，脫離脫離仙童公司自立門戶，仙童公司自立門戶， 創(chuàng)辦創(chuàng)辦Intel公司公司。l桑德斯桑德斯( (銷售部主任銷售部主任)

12、 )： 1969年，帶著年，帶著7位仙童員位仙童員工創(chuàng)辦工創(chuàng)辦AMD公司。公司。1718二、摩爾定律二、摩爾定律19二、摩爾定律二、摩爾定律20二、摩爾定律二、摩爾定律21二、摩爾定律二、摩爾定律1974年年IBM的的Robert Dennard等人提出了等人提出了：如果將芯片如果將芯片尺寸尺寸和電源和電源電壓電壓減半，則：減半，則：n性能提高：性能提高：MOS晶體管的晶體管的切換速度切換速度提高兩倍；提高兩倍；n耗電量下降：耗電量下降：耗電量降耗電量降至至1/4；n單位晶體管的成本降低：芯片單位晶體管的成本降低：芯片面積面積減至減至1/4，或在，或在同樣的面積下制造同樣的面積下制造4倍的晶體

13、管。倍的晶體管。提升性能的三大支柱：提升性能的三大支柱：n提高頻率提高頻率n并行處理并行處理n功能擴(kuò)展功能擴(kuò)展22二、摩爾定律二、摩爾定律自自20世紀(jì)世紀(jì)70年代后期以來處理器性能的增長年代后期以來處理器性能的增長西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)第1章 緒論1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成24n硬件硬件系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)中看得見摸得著的物理實(shí)體。系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)中看得見摸得著的物理實(shí)體。 n軟件軟件系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所配置的各類程序和文件，由系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所配置的各類程序和文件，由于它們是存放在內(nèi)存或外存中的二進(jìn)制編碼信息，于它們是存放在內(nèi)存或外存中的二進(jìn)制編碼信息，是是不能直接觸摸不能直

14、接觸摸而且而且修改相對(duì)比較容易修改相對(duì)比較容易，故稱之，故稱之為為軟件軟件。l系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件l應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件25實(shí)例實(shí)例n可用的物品：可用的物品：l帶有橫格的紙帶有橫格的紙l算盤算盤l筆筆l人人n計(jì)算：計(jì)算：yaxbc26實(shí)例實(shí)例n可用的物品：可用的物品：l帶有橫格的紙帶有橫格的紙l算盤算盤l筆筆l人人n計(jì)算：計(jì)算：yaxbc行數(shù)行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)解題步驟和數(shù)據(jù)1取數(shù)取數(shù) ( (9) ) 算盤算盤2乘法乘法 ( (12) ) 算盤算盤3加法加法 ( (10) ) 算盤算盤4減法減法 ( (11) ) 算盤算盤5存數(shù)存數(shù) y ( (13) )6輸出輸出7停止停止89a10b11c12x13y

15、27實(shí)例實(shí)例行數(shù)行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)解題步驟和數(shù)據(jù)1取數(shù)取數(shù) ( (9) ) 算盤算盤2乘法乘法 ( (12) ) 算盤算盤3加法加法 ( (10) ) 算盤算盤4減法減法 ( (11) ) 算盤算盤5存數(shù)存數(shù) y ( (13) )6輸出輸出7停止停止89a10b11c12x13y指令指令操作碼操作碼加法加法001減法減法010乘法乘法011除法除法100取數(shù)取數(shù)101存數(shù)存數(shù)110打印打印111停機(jī)停機(jī)00028實(shí)例實(shí)例地址地址存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器1101 10012011 11003001 10104010 10115110 11016111 00007000 000089a（二進(jìn)制數(shù)）（二進(jìn)制數(shù)）

16、10 b11 c12 x13 y指令指令操作碼操作碼加法加法001減法減法010乘法乘法011除法除法100取數(shù)取數(shù)101存數(shù)存數(shù)110打印打印111停機(jī)停機(jī)00029實(shí)例實(shí)例n可用的物品：可用的物品：l帶有橫格的紙帶有橫格的紙l算盤算盤l筆筆l人人n計(jì)算：計(jì)算：yaxbc地址地址存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器1101 10012011 11003001 10104010 10115110 11016111 00007000 000089a（二進(jìn)制數(shù)）（二進(jìn)制數(shù)）10 b11 c12 x13 y存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器某種應(yīng)用某種應(yīng)用程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算器運(yùn)算器輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)控制器控制器30一、硬件系統(tǒng)一、硬件系

17、統(tǒng)n早期的馮早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)n早期的早期的PC機(jī)機(jī)n目前的目前的PC機(jī)機(jī)31一、硬件系統(tǒng)一、硬件系統(tǒng)n早期的馮早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)圖圖1.1 早期計(jì)算機(jī)（硬件）的組成早期計(jì)算機(jī)（硬件）的組成程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果地址地址指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果輸入設(shè)備輸入設(shè)備存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器32一、硬件系統(tǒng)一、硬件系統(tǒng)n早期的馮早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)圖圖1.1 早期計(jì)算機(jī)（硬件）的組成早期計(jì)算機(jī)（硬件）的組成33一、硬件系統(tǒng)一、硬件系統(tǒng)n早期的馮早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)l在在1946由馮由馮諾依曼提出諾依曼提出l計(jì)算機(jī)依據(jù)計(jì)算

18、機(jī)依據(jù)存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序、程序控制程序控制的方式工作的方式工作l馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：p將計(jì)算機(jī)要處理的問題用將計(jì)算機(jī)要處理的問題用指令指令編成編成程序程序。p指令指令和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)以同等地位存放在以同等地位存放在存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器中，并可按中，并可按地地址址訪問。訪問。p以以二進(jìn)制二進(jìn)制形式表示形式表示指令指令和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。p在在控制器控制器的控制下，的控制下，指令指令被逐條從被逐條從存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器中取出來中取出來執(zhí)行，產(chǎn)生執(zhí)行，產(chǎn)生控制流控制流，在控制流的驅(qū)動(dòng)下完成指令的，在控制流的驅(qū)動(dòng)下完成指令的功能。功能。p早期的馮早期的馮諾依曼機(jī)以諾依曼機(jī)以運(yùn)算器運(yùn)算器為中心，為中心，輸入

19、輸入/輸出設(shè)輸出設(shè)備備通過通過運(yùn)算器運(yùn)算器與與存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)。傳送數(shù)據(jù)。34一、硬件系統(tǒng)一、硬件系統(tǒng)n早期的早期的PC機(jī)機(jī)圖圖1.2 微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖35一、硬件系統(tǒng)一、硬件系統(tǒng)n目前的目前的PC機(jī)機(jī)圖圖1.3 PC機(jī)主板結(jié)構(gòu)機(jī)主板結(jié)構(gòu)36二、軟件系統(tǒng)二、軟件系統(tǒng)n系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件l操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)：p管理計(jì)算機(jī)硬管理計(jì)算機(jī)硬/軟件資源，控制程序運(yùn)行，軟件資源，控制程序運(yùn)行，改善人機(jī)交互，為應(yīng)用軟件提供支持改善人機(jī)交互，為應(yīng)用軟件提供支持p處理器管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管處理器管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理、作業(yè)管理理、作業(yè)管理l語言處理程序語言處理程序l

20、各種服務(wù)支持軟件各種服務(wù)支持軟件p調(diào)試程序、診斷程序、提示警告程序調(diào)試程序、診斷程序、提示警告程序n應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件：用戶在各自的應(yīng)用中，為解決自己的：用戶在各自的應(yīng)用中，為解決自己的有關(guān)問題而編寫的程序。有關(guān)問題而編寫的程序。l科學(xué)計(jì)算、信息管理、過程控制、武器裝備科學(xué)計(jì)算、信息管理、過程控制、武器裝備西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)第1章 緒論1.3 計(jì)算機(jī)的分層組織結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的分層組織結(jié)構(gòu)38一、計(jì)算機(jī)分層結(jié)構(gòu)形式一、計(jì)算機(jī)分層結(jié)構(gòu)形式39一、計(jì)算機(jī)分層結(jié)構(gòu)形式一、計(jì)算機(jī)分層結(jié)構(gòu)形式第第6級(jí)（虛擬機(jī)器）級(jí)（虛擬機(jī)器）第第5級(jí)（虛擬機(jī)器）級(jí)（虛擬機(jī)器）第第4級(jí)（虛擬機(jī)器）級(jí)（

21、虛擬機(jī)器）第第3級(jí)（虛擬機(jī)器）級(jí)（虛擬機(jī)器）第第2級(jí)（實(shí)際機(jī)器）級(jí)（實(shí)際機(jī)器）第第1級(jí)（實(shí)際機(jī)器）級(jí)（實(shí)際機(jī)器）高級(jí)語言機(jī)器高級(jí)語言機(jī)器M5（高級(jí)語言）（高級(jí)語言）應(yīng)用語言機(jī)器應(yīng)用語言機(jī)器M6（應(yīng)用語言）（應(yīng)用語言）匯編語言機(jī)器匯編語言機(jī)器M4（匯編語言）（匯編語言）操作系統(tǒng)機(jī)器操作系統(tǒng)機(jī)器M3（作業(yè)控制語言等）（作業(yè)控制語言等）傳統(tǒng)機(jī)器傳統(tǒng)機(jī)器M2（機(jī)器指令系統(tǒng)）（機(jī)器指令系統(tǒng)）微程序機(jī)器微程序機(jī)器M1（微指令系統(tǒng)）（微指令系統(tǒng)）用戶用戶軟件工程師軟件工程師軟件工程師軟件工程師計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員硬件工程師硬件工程師計(jì)算機(jī)操作員計(jì)算機(jī)操作員軟硬件分界軟硬件分界40012345

22、6虛虛擬擬機(jī)機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)組成原理組成原理計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件硬聯(lián)邏輯硬聯(lián)邏輯微程序微程序機(jī)器語言機(jī)器語言操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)匯編語言匯編語言高級(jí)語言高級(jí)語言應(yīng)用語言應(yīng)用語言硬件硬件軟硬件分界軟硬件分界41二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成n計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)42二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）：）：從從外部外部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是使用者（研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是使用者（機(jī)器語言機(jī)

23、器語言、匯編語言匯編語言、系統(tǒng)程序員系統(tǒng)程序員）所看到的物理計(jì)算機(jī)的）所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象，抽象，是編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所是編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計(jì)算機(jī)的屬性必須了解到的計(jì)算機(jī)的屬性。n計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成（Computer Organization）：）：從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部內(nèi)部來研究計(jì)算機(jī)的構(gòu)成，主要來研究計(jì)算機(jī)的構(gòu)成，主要內(nèi)容包括：運(yùn)算方法、內(nèi)容包括：運(yùn)算方法、CPU 組成、主存儲(chǔ)器和輸組成、主存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口等。入輸出設(shè)備、輸入輸出接口等。 43二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

24、結(jié)構(gòu)：由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：由( (系統(tǒng)系統(tǒng)) )程序員程序員所看到的計(jì)算所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu)及及功能特性功能特性。l數(shù)據(jù)的表示形式；數(shù)據(jù)的表示形式；l尋址方式；尋址方式；l內(nèi)部寄存器組；內(nèi)部寄存器組；l指令集；指令集；l中斷系統(tǒng)；中斷系統(tǒng)；l處理器工作狀態(tài)及其切換；處理器工作狀態(tài)及其切換；l存儲(chǔ)系統(tǒng)；存儲(chǔ)系統(tǒng)；l輸入輸入/輸出結(jié)構(gòu)；輸出結(jié)構(gòu)；l信息保護(hù)及特權(quán)；信息保護(hù)及特權(quán)；l高性能設(shè)計(jì)；高性能設(shè)計(jì)；44二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)n計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成( (計(jì)算機(jī)組織計(jì)算機(jī)組織) )：計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)的的邏輯實(shí)邏

25、輯實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，包括最低層內(nèi)部算法、數(shù)據(jù)流、控制流的邏，包括最低層內(nèi)部算法、數(shù)據(jù)流、控制流的邏輯實(shí)現(xiàn)。輯實(shí)現(xiàn)。l數(shù)據(jù)通路的寬度；數(shù)據(jù)通路的寬度；l專用部件的設(shè)置（如乘除法專用部件、浮點(diǎn)運(yùn)專用部件的設(shè)置（如乘除法專用部件、浮點(diǎn)運(yùn)算專用部件等等）；算專用部件等等）；l各功能部件的并行程度；各功能部件的并行程度；l各種操作的相容性與互斥性；各種操作的相容性與互斥性；l控制機(jī)構(gòu)的組成方式；控制機(jī)構(gòu)的組成方式；l緩沖與排隊(duì)技術(shù)的應(yīng)用；緩沖與排隊(duì)技術(shù)的應(yīng)用；l預(yù)估、預(yù)判方法；預(yù)估、預(yù)判方法；l高可靠性技術(shù)；高可靠性技術(shù)；45二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)n計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)實(shí)

26、現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成組成的的物理實(shí)現(xiàn)物理實(shí)現(xiàn)。集成電路芯片、電子元器件、部件、插頭、插座集成電路芯片、電子元器件、部件、插頭、插座n系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了計(jì)算機(jī)的決定了計(jì)算機(jī)的總體屬性總體屬性，組成組成是體現(xiàn)是體現(xiàn)這些屬性的這些屬性的邏輯設(shè)計(jì)邏輯設(shè)計(jì)，而，而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)則是用具體的則是用具體的器件器件來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。46二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)對(duì)于某一功能來說，既可以用對(duì)于某一功能來說，既可以用軟件軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件硬件實(shí)現(xiàn)，稱為實(shí)現(xiàn)，稱為在在是是的。的。一個(gè)功能若一個(gè)功能若使用頻繁使用頻繁，且用硬件實(shí)現(xiàn)，且用硬件實(shí)現(xiàn)成本理想成本理想

27、，則，則用用實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)可提高效率；可提高效率；：靈活性靈活性高，效率不如用硬件實(shí)現(xiàn)。高，效率不如用硬件實(shí)現(xiàn)。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)第1章 緒論1.4 計(jì)算機(jī)的分類及性能描述計(jì)算機(jī)的分類及性能描述48一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n早期的計(jì)算機(jī)分類方法：早期的計(jì)算機(jī)分類方法：l微型機(jī)微型機(jī)l小型機(jī)小型機(jī)l中型機(jī)中型機(jī)l大型機(jī)大型機(jī)l巨型機(jī)巨型機(jī)49一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n以用途分類：以用途分類：l通用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)p個(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)PCp服務(wù)器服務(wù)器uWEB服務(wù)器服務(wù)器uFTP服務(wù)器服務(wù)器uMAIL服務(wù)器服務(wù)器u文件共享服務(wù)器文件共享服務(wù)器 u數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服

28、務(wù)器數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)器u網(wǎng)站的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器網(wǎng)站的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器uDNS服務(wù)器服務(wù)器u流媒體服務(wù)器流媒體服務(wù)器l嵌入式計(jì)算機(jī)（專用計(jì)算機(jī)）嵌入式計(jì)算機(jī)（專用計(jì)算機(jī)）50一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n個(gè)人移動(dòng)設(shè)備個(gè)人移動(dòng)設(shè)備（PMD）帶有多媒體用戶界面的無線設(shè)備帶有多媒體用戶界面的無線設(shè)備n桌面計(jì)算桌面計(jì)算（臺(tái)式機(jī)）（臺(tái)式機(jī)）n服務(wù)器服務(wù)器可靠性、可擴(kuò)展性、吞吐能力可靠性、可擴(kuò)展性、吞吐能力n集群集群/倉庫級(jí)計(jì)算機(jī)倉庫級(jí)計(jì)算機(jī)l軟件即服務(wù)軟件即服務(wù)( (SaaS) )應(yīng)用：應(yīng)用：搜索、社交網(wǎng)絡(luò)、視頻分享、多人游戲、在線銷售搜索、社交網(wǎng)絡(luò)、視頻分享、多人游戲、在線銷售l最大規(guī)模的集群稱為倉庫級(jí)計(jì)算機(jī)最大

29、規(guī)模的集群稱為倉庫級(jí)計(jì)算機(jī)( (WSC) )l超級(jí)計(jì)算機(jī)：強(qiáng)調(diào)浮點(diǎn)性能；緊耦合。超級(jí)計(jì)算機(jī)：強(qiáng)調(diào)浮點(diǎn)性能；緊耦合。n嵌入式嵌入式（通常不能運(yùn)行第三方軟件）（通常不能運(yùn)行第三方軟件）微波爐、洗衣機(jī)、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、汽車微波爐、洗衣機(jī)、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu): 量化的研究方法量化的研究方法( (第第5版版) )中中計(jì)算機(jī)的分類：計(jì)算機(jī)的分類：51一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n佛林佛林( (Flynn) )分類法分類法l單單指令流指令流單單數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流 SISD（Single Instruction Single Datastream）l單單指令流指令流多多數(shù)據(jù)

30、流數(shù)據(jù)流 SIMD（Single Instruction Multiple Datastream）l多多指令流指令流單單數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流 MISD（Multiple Instruction Single Datastream）l多多指令流指令流多多數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流 MIMD（Multiple Instruction Multiple Datastream）52一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n佛林佛林( (Flynn) )分類法分類法CUPUCSMMDSISCUPU1CSMM1DS1ISMM2MMmPU2DS2PUnDSnSISD：SIMD：傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的串行計(jì)算機(jī)串行計(jì)算機(jī)陣列處理機(jī)陣列處理機(jī)向量處理

31、機(jī)向量處理機(jī)53一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n佛林佛林( (Flynn) )分類法分類法DSMM1MM2MMmSMCU1CU2CUnIS1IS2ISnPU1PU2PUnCS1CS2CSnDSMISD：無實(shí)際無實(shí)際54一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類n佛林佛林( (Flynn) )分類法分類法MM1MM2MMmSMCU1CU2CUnIS1IS2ISnPU1PU2PUnCS1CS2CSnDS1DS2DSnMIMD： 多處理機(jī)多處理機(jī) 機(jī)群機(jī)群( (集群集群) )系統(tǒng)系統(tǒng)55二、計(jì)算機(jī)的性能描述二、計(jì)算機(jī)的性能描述n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置n計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)n用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)

32、計(jì)算機(jī)的性能用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nAmdahl定律定律56（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例1】個(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)n處理器：英特爾處理器：英特爾 酷?？犷M2雙核處理器雙核處理器E6300（處理器速度（處理器速度1.86GHz，2MB二級(jí)高速緩存，二級(jí)高速緩存，1.066GHz前端前端總線，硬件防病毒，總線，硬件防病毒，65nm，節(jié)能技術(shù)）；，節(jié)能技術(shù)）；n正版正版Windows Vista Home Premium簡體中文版；簡體中文版；n支持英特爾支持英特爾64位內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)；位內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)；n采用英特爾采用英特爾LGA775封裝技術(shù)；封裝技術(shù)；n內(nèi)存：內(nèi)存：2GB

33、 DDR533；n硬盤：硬盤：SATA 250GB（7200轉(zhuǎn)）；轉(zhuǎn)）；n顯卡：顯卡：NV7950 256MB PCI-E高性能顯示卡；高性能顯示卡；n19寬屏液晶顯示器；寬屏液晶顯示器；nSATA DVD RW光驅(qū)；光驅(qū)；n集成集成100M網(wǎng)卡；網(wǎng)卡；n集成集成5.1聲卡；聲卡；n防水抗菌鍵盤；防水抗菌鍵盤；n光電鼠標(biāo)；光電鼠標(biāo)；nMTBF 6萬小時(shí)。萬小時(shí)。57（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例2】服務(wù)器服務(wù)器教材教材 P1213 最簡單的服務(wù)器可用一臺(tái)一般的最簡單的服務(wù)器可用一臺(tái)一般的PC機(jī)配上相應(yīng)的機(jī)配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件就可以實(shí)現(xiàn)，功能強(qiáng)的服務(wù)器可能需要成百應(yīng)用軟件就可以實(shí)現(xiàn)

34、，功能強(qiáng)的服務(wù)器可能需要成百上千個(gè)處理器構(gòu)成集群系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。上千個(gè)處理器構(gòu)成集群系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。58（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例2】服務(wù)器服務(wù)器1/4n基本類別基本類別u類型：企業(yè)級(jí)類型：企業(yè)級(jí)u類別：機(jī)架式類別：機(jī)架式u結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：4Un處理器處理器uCPU類型：類型：Xeon MP E7430uCPU頻率：頻率：2130MHzu處理器描述：標(biāo)配處理器描述：標(biāo)配2個(gè)個(gè)Xeon MP E7430處理器處理器u最大處理器數(shù)量：最大處理器數(shù)量：4u制程工藝：制程工藝：45nmuCPU核心：核心：4核（核（Dunnington）n主板主板uFSB總線：總線：1066MHzu擴(kuò)展槽：擴(kuò)展

35、槽：7個(gè)個(gè)PCI-Express插槽（插槽（4個(gè)個(gè)8，3個(gè)個(gè)4）59（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例2】服務(wù)器服務(wù)器2/4n內(nèi)存內(nèi)存u內(nèi)存類型：內(nèi)存類型：FB-DIMMu內(nèi)存大?。簝?nèi)存大小：2GB16u最大內(nèi)存容量：最大內(nèi)存容量：265GBn存儲(chǔ)存儲(chǔ)u硬盤大?。河脖P大?。?300GBu硬盤類型：硬盤類型：SASu硬盤最大容量：硬盤最大容量：1.5TB5u內(nèi)部硬盤架數(shù)：內(nèi)置硬盤托架可支持內(nèi)部硬盤架數(shù)：內(nèi)置硬盤托架可支持5塊塊3.5英寸英寸SAS熱插熱插拔硬盤，內(nèi)置硬盤托架可支持拔硬盤，內(nèi)置硬盤托架可支持8塊塊2.5英寸英寸SAS熱插拔硬盤熱插拔硬盤u磁盤陣列卡：磁盤陣列卡：PERC

36、 6/iR 支持支持 RAID0, 1, 5, 6, 10u光驅(qū)：光驅(qū)：DVD-ROMn網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)控制器：網(wǎng)絡(luò)控制器：4個(gè)嵌入式個(gè)嵌入式 Broadcom NetXtreme II TM5708 Gigabit5 以太網(wǎng)卡，具有故障恢復(fù)和負(fù)載平衡功能以太網(wǎng)卡，具有故障恢復(fù)和負(fù)載平衡功能60（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例2】服務(wù)器服務(wù)器3/4n顯示性能顯示性能顯示芯片：顯示芯片：ATI-Radeon ES1000集成顯卡，含集成顯卡，含32MB SDRAMn接口類型接口類型u后部：后部：2個(gè)個(gè)USB2.0接口，接口，9針串行接口，視頻接口，適合針串行接口，視頻接口，適合DRAC

37、的的千兆以太網(wǎng)接口，帶有藍(lán)千兆以太網(wǎng)接口，帶有藍(lán)/橙色橙色LED指示燈的指示燈的ID按鈕；按鈕；u前部：前部：2個(gè)個(gè)USB2.0接口，帶有系統(tǒng)警報(bào)滾動(dòng)顯示屏的接口，帶有系統(tǒng)警報(bào)滾動(dòng)顯示屏的LCD面板，面板，15針視頻接口，系統(tǒng)電源開針視頻接口，系統(tǒng)電源開/關(guān)按鈕；關(guān)按鈕；u內(nèi)部：內(nèi)部：1個(gè)個(gè)USB2.0接口接口n其他參數(shù)其他參數(shù)散熱系統(tǒng)：熱插拔冗余冷卻風(fēng)扇散熱系統(tǒng)：熱插拔冗余冷卻風(fēng)扇n外觀特征外觀特征u尺寸：尺寸：172.7mm447mm701mmu重量重量/kg：41.7361（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例2】服務(wù)器服務(wù)器4/4n電源性能電源性能u電源：熱插拔冗余電源電源：熱

38、插拔冗余電源u電源數(shù)量：電源數(shù)量：2u電壓電壓( (AC) )/V：180240/90180u功率功率/W：1570/1030n軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)uMicrosoft Windows Server 2003 R2 SP2 企業(yè)版企業(yè)版uMicrosoft Windows Server 2003 R2 SP2 標(biāo)準(zhǔn)版標(biāo)準(zhǔn)版uRed Hat Linux Enterprise V5，高級(jí)平臺(tái)，高級(jí)平臺(tái)uSUSE Linux Enterprise Server 10 EM64T SP2n適用環(huán)境適用環(huán)境n工作溫度工作溫度/：1035n工作濕度：工作濕度：8%85%（無冷凝）（無冷凝）n存儲(chǔ)溫度存儲(chǔ)溫度/

39、 ：-4065n存儲(chǔ)濕度：存儲(chǔ)濕度：5%95%（無冷凝）（無冷凝）62（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置【例例3】高性能計(jì)算機(jī)：性能達(dá)到或超過萬億次高性能計(jì)算機(jī)：性能達(dá)到或超過萬億次/秒。秒。天河一號(hào)天河一號(hào)A：n耗資耗資6億元億元n采用了采用了CPUGPU的混合架構(gòu)的混合架構(gòu)n處理器內(nèi)核數(shù)近處理器內(nèi)核數(shù)近20萬顆萬顆u14336 顆顆6核核Intel至強(qiáng)至強(qiáng)X5670 2.93GHz CPUu7168 顆顆 Nvidia Tesla M2050 GPUu2048 顆顆 8核飛騰核飛騰 FT-1000 CPUn內(nèi)存容量內(nèi)存容量 98TBn點(diǎn)點(diǎn)通信帶寬點(diǎn)點(diǎn)通信帶寬 40Gb/sn共享磁盤容

40、量共享磁盤容量 2PBn140個(gè)機(jī)柜，占地個(gè)機(jī)柜，占地700平方米平方米n總重量總重量160噸噸n峰值速度峰值速度4701萬億次萬億次/秒，秒，實(shí)測(cè)速度實(shí)測(cè)速度2566萬億次萬億次/秒秒63（二）計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（二）計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)n每秒鐘執(zhí)行指令的百萬條數(shù)每秒鐘執(zhí)行指令的百萬條數(shù)MIPSn每秒鐘執(zhí)行浮點(diǎn)數(shù)的百萬次操作的數(shù)量每秒鐘執(zhí)行浮點(diǎn)數(shù)的百萬次操作的數(shù)量MFLOPSn吞吐量吞吐量n響應(yīng)時(shí)間（執(zhí)行時(shí)間）響應(yīng)時(shí)間（執(zhí)行時(shí)間）nCPU時(shí)間時(shí)間n處理器數(shù)量處理器數(shù)量詳見第詳見第6章章【例例】計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)A的性能比計(jì)算機(jī)的性能比計(jì)算機(jī)B的性能好的性能好4倍，倍，B完完成一個(gè)指定的任務(wù)用時(shí)成一個(gè)指定

41、的任務(wù)用時(shí)20s，那么，那么A完成該任務(wù)用時(shí)完成該任務(wù)用時(shí)多長？多長？【解解】因?yàn)橐驗(yàn)樗运?TA5s4T20sTTPPAABBA 64（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能以往對(duì)計(jì)算機(jī)的測(cè)試采用過如下幾種程序：以往對(duì)計(jì)算機(jī)的測(cè)試采用過如下幾種程序： 實(shí)際應(yīng)用程序?qū)嶋H應(yīng)用程序，也就是計(jì)算機(jī)工作的真實(shí)程序。，也就是計(jì)算機(jī)工作的真實(shí)程序。 修正的實(shí)際應(yīng)用程序修正的實(shí)際應(yīng)用程序，即對(duì)上面真實(shí)程序進(jìn)行某，即對(duì)上面真實(shí)程序進(jìn)行某些修改構(gòu)成測(cè)試程序。些修改構(gòu)成測(cè)試程序。 核心程序核心程序，提取真實(shí)程序中的核心部分構(gòu)成測(cè)試，提取真實(shí)程序中的核心部分構(gòu)成測(cè)試程序。程序。 小測(cè)試

42、程序小測(cè)試程序，具有特定目的的、，具有特定目的的、100行以內(nèi)的測(cè)試行以內(nèi)的測(cè)試程序。程序。 合成測(cè)試程序合成測(cè)試程序，就是選擇具有各種代表性的一系，就是選擇具有各種代表性的一系列測(cè)試程序，將它們組合在一起。這種測(cè)試程序列測(cè)試程序，將它們組合在一起。這種測(cè)試程序的集合稱為的集合稱為測(cè)試程序組件測(cè)試程序組件，或稱，或稱合成測(cè)試程序合成測(cè)試程序，或稱或稱基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序。1. 關(guān)于基準(zhǔn)測(cè)試程序關(guān)于基準(zhǔn)測(cè)試程序65（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能目前常見的目前常見的基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序：nTPC-C：對(duì)系統(tǒng)在線：對(duì)系統(tǒng)在線處理事務(wù)處理事務(wù)的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)

43、。的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。nTPC-H：對(duì)系統(tǒng)在線：對(duì)系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫資料的資料的查詢查詢能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。nSPEC web2005：評(píng)價(jià)系統(tǒng)同時(shí)響應(yīng)：評(píng)價(jià)系統(tǒng)同時(shí)響應(yīng)http連接連接的最大數(shù)量。的最大數(shù)量。nSPEC jApp Server2004：評(píng)價(jià)系統(tǒng)基于：評(píng)價(jià)系統(tǒng)基于java平臺(tái)每秒鐘所平臺(tái)每秒鐘所完成的完成的java操作操作的最大數(shù)量。的最大數(shù)量。nSPEC CPU2000：用于對(duì)：用于對(duì)特定程序包特定程序包執(zhí)行時(shí)的評(píng)估。執(zhí)行時(shí)的評(píng)估。nLinpack：在每秒鐘內(nèi)，利用高斯消元法求解：在每秒鐘內(nèi)，利用高斯消元法求解一元一元N次線性次線性方程組方程組的次數(shù)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。的

44、次數(shù)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。nHPCC：利用：利用雙精度矩陣乘法雙精度矩陣乘法、傅立葉變換傅立葉變換、并、并行矩陣轉(zhuǎn)行矩陣轉(zhuǎn)置置等七個(gè)子項(xiàng)全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。等七個(gè)子項(xiàng)全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。nSAP SD：測(cè)試系統(tǒng)的：測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間及每小時(shí)完成的及每小時(shí)完成的定單數(shù)定單數(shù)，用，用以衡量系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)庫的能力。以衡量系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)庫的能力。1. 關(guān)于基準(zhǔn)測(cè)試程序關(guān)于基準(zhǔn)測(cè)試程序66測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試項(xiàng)目編寫語言編寫語言類別類別164.gzip C 文件壓縮解壓縮文件壓縮解壓縮175.vpr C FPGA芯片電路布線芯片電路布線176.gcc C C語言程序編譯器語言程序編譯

45、器181.mcf C 運(yùn)籌優(yōu)化運(yùn)籌優(yōu)化186.crafty C 國際象棋游戲國際象棋游戲197.parser C 字處理字處理252.eon C+ 可視化計(jì)算可視化計(jì)算253.perlbmk C PERL腳本操作腳本操作254.gap C 群論群論255.vortex C VORTEx數(shù)據(jù)庫操作數(shù)據(jù)庫操作256.bzip2 C 文件壓縮解壓縮文件壓縮解壓縮300.twolf C TimberWolfSC 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能2. SPEC CPU2000整數(shù)整數(shù)測(cè)試程序測(cè)試程序67（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序

46、來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試項(xiàng)目編寫語言編寫語言 類別類別168.wupwise Fortran 77 物理物理/量子色動(dòng)力學(xué)量子色動(dòng)力學(xué)171.swimFortran 77 天氣預(yù)報(bào)天氣預(yù)報(bào)Shallow Water Modeling172.mgrid Fortran 77 多柵求解器：三維勢(shì)場(chǎng)多柵求解器：三維勢(shì)場(chǎng)173.applu Fortran 77 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算物理學(xué)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算物理學(xué)177.mesa C 3D圖形庫圖形庫178.galgel Fortran 90 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)179.art C ART2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)183.equake C 地震波

47、傳播模擬地震波傳播模擬187.facerec Fortran 90 圖像處理：面部輪廓識(shí)別圖像處理：面部輪廓識(shí)別188.ammp C 計(jì)算化學(xué)計(jì)算化學(xué)189.lucas Fortran 90 數(shù)論：質(zhì)數(shù)判定數(shù)論：質(zhì)數(shù)判定191.fma3d Fortran 90 有限元分析有限元分析200.sixtrackFortran 77 核物理加速器設(shè)計(jì)核物理加速器設(shè)計(jì)301.apsi Fortran 77 氣象預(yù)報(bào)氣象預(yù)報(bào)2. SPEC CPU2000浮點(diǎn)浮點(diǎn)測(cè)試程序測(cè)試程序68（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試

48、軟件測(cè)試n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試69（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試lPC Mark2002：整機(jī)綜合性能測(cè)試軟件，其中包含對(duì)：整機(jī)綜合性能測(cè)試軟件，其中包含對(duì)CPU、內(nèi)存、硬盤等子系統(tǒng)的性能測(cè)試。、內(nèi)存、硬盤等子系統(tǒng)的性能測(cè)試。lSuper pi（104萬位）：將圓周率計(jì)算到萬位）：將圓周率計(jì)算到104萬位。萬位。n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試70（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)

49、計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試l辦公應(yīng)用辦公應(yīng)用l網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作多媒體創(chuàng)作l3D游戲處理性能游戲處理性能l3D圖形性能圖形性能n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試71（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試l辦公應(yīng)用辦公應(yīng)用pBusiness Winstone2001：模擬：模擬Office2000、Lotus Notes R5、Netscape Navigator4.7、Norton AntiVirus2000

50、和和WinZip 7.0實(shí)際工作環(huán)境的測(cè)試軟實(shí)際工作環(huán)境的測(cè)試軟件，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)辦公應(yīng)用軟件的處理速度。件，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)辦公應(yīng)用軟件的處理速度。 l網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作多媒體創(chuàng)作l3D游戲處理性能游戲處理性能l3D圖形性能圖形性能n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試72（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試l辦公應(yīng)用辦公應(yīng)用 l網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作多媒體創(chuàng)作pCC Winstone2002：模擬：模擬Adobe PhotoShop 5.5/Premiere 5.1、D

51、reamweaver 3.0、Director 8.0和和Sound Forge4.5實(shí)際工作的測(cè)試軟件，用于測(cè)試系實(shí)際工作的測(cè)試軟件，用于測(cè)試系統(tǒng)對(duì)圖形處理、多媒體音頻、視頻編輯軟件的處理統(tǒng)對(duì)圖形處理、多媒體音頻、視頻編輯軟件的處理速度。速度。l3D游戲處理性能游戲處理性能l3D圖形性能圖形性能n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試73（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試l辦公應(yīng)用辦公應(yīng)用 l網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作多媒體創(chuàng)作l3D游戲處理性能游戲處理性能p3D M

52、ark2001 SE：常用的：常用的3D游戲性能測(cè)試軟件。游戲性能測(cè)試軟件。pQuake3 Ver1.17：OpenGL游戲性能基準(zhǔn)測(cè)試軟件。游戲性能基準(zhǔn)測(cè)試軟件。pSerious Sam-second Encounter：一個(gè)：一個(gè)CPU 3D游戲性游戲性能測(cè)試工具。能測(cè)試工具。l3D圖形性能圖形性能n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試74（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試l辦公應(yīng)用辦公應(yīng)用 l網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作多媒體創(chuàng)作l3D游戲處理性能游戲處理性能l3

53、D圖形性能圖形性能pCinema 4D XL V6.103：專業(yè)的：專業(yè)的Open GL引擎引擎3D繪圖繪圖軟件，用于測(cè)試軟件，用于測(cè)試CPU在專業(yè)在專業(yè)OpenGL 3D繪圖軟件中的繪圖軟件中的性能。性能。n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試3. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試75（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能（三）用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能nCPU基本性能測(cè)試基本性能測(cè)試n基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試l辦公應(yīng)用辦公應(yīng)用 l網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作多媒體創(chuàng)作l3D游戲處理性能游戲處理性能l3D圖形性能圖形性能n實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試實(shí)際應(yīng)用軟件性能測(cè)試lMPEG4編碼：編碼：FlasK

54、MPEG0.594+DivX5.0.2lMP3編碼：編碼：Lame3.89 alphal文件壓縮：文件壓縮：Winzip 8.13. PC機(jī)性能測(cè)試機(jī)性能測(cè)試76（四）（四）Amdahl定律定律77吉恩吉恩阿姆達(dá)爾：阿姆達(dá)爾：IBM大型機(jī)之父大型機(jī)之父姓名姓名( (中文中文) )：吉恩：吉恩阿姆達(dá)爾阿姆達(dá)爾姓名姓名( (英文英文) )：Gene Amdahl出生年月：出生年月：1922年年11月月16日日出生國家出生國家/地點(diǎn)：美國南達(dá)科他州地點(diǎn)：美國南達(dá)科他州教育背景：教育背景：1948年，獲南達(dá)科達(dá)州立大學(xué)工程物理科學(xué)學(xué)士學(xué)位；年，獲南達(dá)科達(dá)州立大學(xué)工程物理科學(xué)學(xué)士學(xué)位；1952年年2月，

55、獲威斯康辛大學(xué)理論物理博士學(xué)位月，獲威斯康辛大學(xué)理論物理博士學(xué)位。計(jì)算機(jī)世界計(jì)算機(jī)世界將他列為將他列為“改變世界的改變世界的25人人”之一。之一。78吉恩吉恩阿姆達(dá)爾：阿姆達(dá)爾：IBM大型機(jī)之父大型機(jī)之父姓名姓名( (中文中文) )：吉恩：吉恩阿姆達(dá)爾阿姆達(dá)爾姓名姓名( (英文英文) )：Gene Amdahl出生年月：出生年月：1922年年11月月16日日出生國家出生國家/地點(diǎn)：美國南達(dá)科他州地點(diǎn)：美國南達(dá)科他州職業(yè)背景：職業(yè)背景：n1952年年6月，加入月，加入IBMn1970年，離開年，離開IBM，自己創(chuàng)辦阿姆達(dá)爾公司，自己創(chuàng)辦阿姆達(dá)爾公司n1980年年3月，創(chuàng)辦三步曲公司月，創(chuàng)辦三步曲

56、公司( (Trilogy) )n1982年，創(chuàng)立年，創(chuàng)立Grid系統(tǒng)公司系統(tǒng)公司n1987年，創(chuàng)建年，創(chuàng)建Andor系統(tǒng)公司系統(tǒng)公司n1996年，創(chuàng)辦商業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)公司年，創(chuàng)辦商業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)公司( (CDS) )79吉恩吉恩阿姆達(dá)爾：阿姆達(dá)爾：IBM大型機(jī)之父大型機(jī)之父n領(lǐng)導(dǎo)領(lǐng)導(dǎo)IBM 360的設(shè)計(jì)工作。他的設(shè)計(jì)工作。他提出：提出：360應(yīng)是一條向下兼容的應(yīng)是一條向下兼容的生產(chǎn)線，可使軟件和設(shè)備用在生產(chǎn)線，可使軟件和設(shè)備用在這一家族的每個(gè)成員身上。這一家族的每個(gè)成員身上。n從從1961年到年到1964年，研制一共年，研制一共花了花了3年時(shí)間，耗費(fèi)年時(shí)間，耗費(fèi)50多億美元，多億美元，超過二戰(zhàn)時(shí)原子彈

57、的研制費(fèi)用。超過二戰(zhàn)時(shí)原子彈的研制費(fèi)用。n這一產(chǎn)品加上后來這一產(chǎn)品加上后來370系列，成系列，成為歷史上銷售量最大的計(jì)算機(jī)為歷史上銷售量最大的計(jì)算機(jī)家族。家族。80（四）（四） Amdahl定律定律n上世紀(jì)六十年代由上世紀(jì)六十年代由IBM 360系列計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)系列計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)者者Amdahl提出。提出。nAmdahl定律內(nèi)容：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一部件由于采定律內(nèi)容：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高用某種更快的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的與這種執(zhí)行方式的使用頻率使用頻率或或占總執(zhí)行時(shí)間的比占總執(zhí)行時(shí)間的比例例有關(guān)。有關(guān)。81（四）（四）

58、 Amdahl定律定律計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的加速比加速比取決于下面兩個(gè)因素：取決于下面兩個(gè)因素： 可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間中所占的比，稱為可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間中所占的比，稱為可改進(jìn)比例可改進(jìn)比例，用，用fe表示。例如，程序的總執(zhí)行時(shí)間表示。例如，程序的總執(zhí)行時(shí)間為為100s，可改進(jìn)的部分是其中的，可改進(jìn)的部分是其中的20s，則，則fe0.2?？梢?，可見，fe總是小于或等總是小于或等1的。的。 可改進(jìn)部分改進(jìn)后性能提高的程度，通常用可改進(jìn)部分改進(jìn)后性能提高的程度，通常用部件加部件加速比速比re來表示某部件改進(jìn)后性能提高的比例。來表示某部件改進(jìn)后性能提高的比例。例如，某部件改進(jìn)后，執(zhí)

59、行時(shí)間由原來的例如，某部件改進(jìn)后，執(zhí)行時(shí)間由原來的20s減少減少到到5s，則部件加速比，則部件加速比re20/54?？梢?，可見，re一般是大于一般是大于1的。的。間間改進(jìn)后的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)改進(jìn)后的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間間改進(jìn)前的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)改進(jìn)前的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)改進(jìn)前的系統(tǒng)性能改進(jìn)前的系統(tǒng)性能改進(jìn)后的系統(tǒng)性能改進(jìn)后的系統(tǒng)性能加速比加速比82（四）（四） Amdahl定律定律n若假設(shè)改進(jìn)前的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間為若假設(shè)改進(jìn)前的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間為To，可以得出，可以得出改進(jìn)后的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后的系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間Tn為：為：n若加速比用若加速比用Sp表示，則加速比表示，則加速比Sp可表示為：可表示為：n當(dāng)系統(tǒng)可改進(jìn)的

60、部分當(dāng)系統(tǒng)可改進(jìn)的部分fe確定后，既使這一部分改進(jìn)確定后，既使這一部分改進(jìn)后不再需要時(shí)間，即后不再需要時(shí)間，即re，則，則Sp1/( (1fe) )。 eeeonrffTT1 eeeprffS 1183（四）（四） Amdahl定律定律【例例1.1】某某Web服務(wù)器系統(tǒng)，采用新的服務(wù)器系統(tǒng)，采用新的CPU以提高以提高其性能，新的其性能，新的CPU處理處理Web服務(wù)器應(yīng)用程序的運(yùn)行服務(wù)器應(yīng)用程序的運(yùn)行速度是原來處理器的速度是原來處理器的10倍，同時(shí)假定此倍，同時(shí)假定此CPU有有40%的時(shí)間用于計(jì)算，另外的時(shí)間用于計(jì)算，另外60%的時(shí)間用于等待的時(shí)間用于等待I/O，則，則進(jìn)行這一升級(jí)后，所得到的總