第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第一頁(yè)，共73頁(yè)。第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

1.計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

2.計(jì)算機(jī)軟件的分類

3.計(jì)算機(jī)的工作過程

計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)

吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS。第二頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

一、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言一般可分為三類：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。1.機(jī)器語(yǔ)言

從計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史來(lái)看，最初在計(jì)算機(jī)中使用的語(yǔ)言不是高級(jí)語(yǔ)言，而是機(jī)器語(yǔ)言。用二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言稱為機(jī)器語(yǔ)言，

機(jī)器語(yǔ)言可以直接在計(jì)算機(jī)硬件中執(zhí)行。第三頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程2.匯編語(yǔ)言用助記符編寫的語(yǔ)言稱為匯編語(yǔ)言，匯編語(yǔ)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單加運(yùn)算的匯編程序如下：

MOVA,3MOVB,5ADDA,BHALT第四頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程3.高級(jí)語(yǔ)言用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序稱為源程序。不同語(yǔ)言的源程序，對(duì)應(yīng)有不同的語(yǔ)言處理程序。語(yǔ)言處理方式有匯編程序、編譯程序、解釋程序三種。第五頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程匯編程序的功能是把匯編語(yǔ)言編寫的源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的目標(biāo)程序，其翻譯過程稱為匯編。高級(jí)語(yǔ)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。第六頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程因此，計(jì)算機(jī)與語(yǔ)言有著密切的聯(lián)系。可以將計(jì)算機(jī)解題的過程歸結(jié)為：程序員編寫源程序?qū)⒊绦蜉斎胗?jì)算機(jī)，并由編譯程序編譯成目標(biāo)代碼由硬件裝置運(yùn)行程序，并輸出結(jié)果第七頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程二、計(jì)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(jì)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(yǔ)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(yǔ)言按照指令表編寫的目的程序。第八頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

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

匯編程序：把匯編語(yǔ)言變成機(jī)器能懂的語(yǔ)言的一種“翻譯程序”。

編譯語(yǔ)言：高級(jí)語(yǔ)言有很多種，如ALGOL、FORTRAN、COBOL、BASIC、PASCAL、C、ADA等。

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

機(jī)器語(yǔ)言（手編程序）、匯編語(yǔ)言（匯編程序）、編譯語(yǔ)言（編譯程序）三個(gè)階段以及函數(shù)型語(yǔ)言、邏輯型語(yǔ)言等新的分支。第九頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程三、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展1.1642年Bascale(Pascal)創(chuàng)造了第一臺(tái)加減運(yùn)算器，用于法國(guó)稅收控制，取得了很大的成績(jī)。為紀(jì)念他，有一種編譯語(yǔ)言就是以Pascal命名的。

1694年Leibuliz創(chuàng)造了完整的四則運(yùn)算器。這以階段共同特點(diǎn)是：機(jī)器的每一步運(yùn)算都要人工控制。19世紀(jì)20年代Babbage提出了自動(dòng)計(jì)算機(jī)的設(shè)想。1889年Halleritn提出了用卡片來(lái)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的原理，研制了卡片機(jī)。第十頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)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(jì)算機(jī)。3.

1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制了第一臺(tái)由程序控制的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，它采用了18800個(gè)電子管，7000個(gè)電阻，10000個(gè)電容，1500個(gè)繼電器；重36噸，長(zhǎng)30米，寬1米，高3米；加法運(yùn)算速度5000次/秒,乘法運(yùn)算速度500次/秒）主要缺點(diǎn):(1)存儲(chǔ)容量小，只能存儲(chǔ)20個(gè)字長(zhǎng)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(shí)間超出運(yùn)算時(shí)間。第十一頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第十二頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)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(diǎn)：（1）由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成；（2）采用存儲(chǔ)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(chǔ)器中，由PC指明所在單元的地址；（5）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，I/O設(shè)備及MEM間的數(shù)據(jù)都通過運(yùn)算器。5.電子器件的發(fā)展：第十三頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第一代計(jì)算機(jī)(1946～1957)----電子管時(shí)代。主要特點(diǎn):電子管作為開關(guān)元件；使用機(jī)器語(yǔ)言；可以存儲(chǔ)信息；輸入輸出慢。第二代計(jì)算機(jī)(1958～1964)----晶體管時(shí)代。主要特點(diǎn):晶體管代替電子管；采用磁心存儲(chǔ)器；匯編語(yǔ)言取代機(jī)器語(yǔ)言。

第三代計(jì)算機(jī)(1965～1971)----中小規(guī)模集成電路時(shí)代。主要特點(diǎn):集成電路取代晶體管；采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；使用了操作系統(tǒng)等。第十四頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第四代計(jì)算機(jī)(1972至今)----超大規(guī)模集成電路時(shí)代主要特點(diǎn):采用集成度很高的電路；出現(xiàn)了微處理器等。第五代計(jì)算機(jī)（目前）----新一代計(jì)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(zhǎng)度來(lái)表示線寬。（um--nm）*摩爾定律：18-24個(gè)月，集成度、性能翻番，價(jià)格減半；2015-2020逐漸減緩。總之，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展包括兩個(gè)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)。第十五頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程四、計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程；4.發(fā)展軟件應(yīng)用工程。第十六頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程五、國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.國(guó)外計(jì)算機(jī)的發(fā)展1938年KonradZuse建成了第一臺(tái)二進(jìn)制的機(jī)電式通用計(jì)算機(jī)Z-1;1943年AlanTuring等建成了一臺(tái)真空管計(jì)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(dòng)機(jī)電式哈佛Mark-I計(jì)算機(jī);1948年曼徹斯特Mark-I成為第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的數(shù)字計(jì)算機(jī);1952年EDVAC研制成功;1952年IBM研制成第一臺(tái)軍用的存儲(chǔ)程序電子計(jì)算機(jī)IBM701;1954年Univac1103A成為第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)開發(fā)成功;第十七頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1956年采用晶體管的Univac商用計(jì)算機(jī)開發(fā)成功;1960年DEC公司11月研制成PDP-1,第一臺(tái)具有顯示器和鍵盤的商用計(jì)算機(jī);1961年IBM研制成7030,號(hào)稱超級(jí)計(jì)算機(jī);1962年英國(guó)研制成Atlas計(jì)算機(jī),首次采用了虛擬存儲(chǔ)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(tái)商用超級(jí)計(jì)算機(jī);1965年DEC推出PDP-8,采用晶體管線路;1968年SeymourCray設(shè)計(jì)成功CDC7600超級(jí)計(jì)算機(jī),40MFLOPS;1971年Intel推出第一個(gè)微處理器芯片4004;第十八頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1972年DEC推出PDP-11;1975年第一臺(tái)微型機(jī)Altair8800研制成功;1976年Cray-1研制成功,第一臺(tái)向量結(jié)構(gòu)超級(jí)計(jì)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(tái)工程工作站;1981年IBM推出PC機(jī);1982年CrayX-MP推出,將兩臺(tái)Cray-1鏈接在一起;1982年日本強(qiáng)調(diào)“第五代”計(jì)算機(jī)項(xiàng)目;1985年Cray-2和ConnectionMachine研制成功,性能均達(dá)每秒十億次運(yùn)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(gè)CPU。第十九頁(yè)，共73頁(yè)。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程2.國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)的發(fā)展1958年我國(guó)第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)投入運(yùn)行（1956年開始設(shè)計(jì)）；1959年我國(guó)國(guó)產(chǎn)104型大型機(jī)投入運(yùn)行；1967年我國(guó)第一臺(tái)晶體管大型機(jī)研制成功；1974年我國(guó)第一臺(tái)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(gè)CPU，用了5年時(shí)間；1997年6月成功研制了“銀河III機(jī)組”，100億次/秒，128個(gè)CPU，可擴(kuò)展到2048個(gè)CPU，大規(guī)模并行運(yùn)算；1999年5月18日鑒定了“探索108集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，160億次/秒。2008年6月25日“曙光5000”投入運(yùn)行，230萬(wàn)億次/秒。第二十頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)一、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的一個(gè)整體系統(tǒng)。一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，如下圖所示。第二十一頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第二十二頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)體部件的集合。1.計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼（Von.Neumann）結(jié)構(gòu)：由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等五個(gè)部分組成，這就是著名的Von.Neumann結(jié)構(gòu)。如下圖所示。第二十三頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)第二十四頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)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。控制信息流：把操作者的意圖和命令及時(shí)地傳給執(zhí)行部件，使之有節(jié)奏地啟動(dòng)機(jī)器工作或完成后停機(jī)。數(shù)據(jù)信息流：把待運(yùn)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(chǔ)地點(diǎn)。兩股信息流都來(lái)源于內(nèi)存儲(chǔ)器，出來(lái)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(yùn)算器，并在運(yùn)算器按控制器發(fā)來(lái)的命令進(jìn)行加工運(yùn)算。第二十五頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)內(nèi)部信息流通的一個(gè)通路，物理上的一組并行的導(dǎo)線，其數(shù)目與計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)有關(guān)。第二十六頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)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(diǎn)：具有I/O總線和存儲(chǔ)總線，以CPU為中心，處理效率高。因存取數(shù)據(jù)時(shí)必須通過運(yùn)算器，從而影響了運(yùn)算器的工作效率。I/O1I/On..CPUMEMI/OBUSMEMBUS第二十七頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)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(diǎn)：具有I/O總線和存儲(chǔ)總線，以MEM為中心，數(shù)據(jù)處理效率高。I/O1I/On..MEMCPUI/OBUSMEMBUS第二十八頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：所有的設(shè)備都聯(lián)接同一總線上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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/On第二十九頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第三十頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2.計(jì)算機(jī)硬件部件：PCARRAMDRHABIRIDPLAF第三十一頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（1）運(yùn)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(yùn)算和邏輯運(yùn)算。累加器A(Accumulator):存放歷次累加和的一個(gè)寄存器。（即首先在A里存放一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)它接受另一二進(jìn)制數(shù)時(shí)，在接受過程中相加，最后A里存放和，通常用觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。）通用寄存器B:用于存放參加運(yùn)算的另一個(gè)操作數(shù)。算術(shù)邏輯單元ALU：一種執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的裝置，由加法器和控制門組成。第三十二頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（2）存儲(chǔ)器定義：計(jì)算機(jī)中用于完成記憶功能的設(shè)備叫做存儲(chǔ)器MEM。功能：存儲(chǔ)器具有按給定地址進(jìn)行寫入/讀出信息，并能長(zhǎng)期保存信息的功能。字的概念：存入存儲(chǔ)器的信息（一串二進(jìn)制代碼）叫做字。字的分類：存儲(chǔ)器中的字基本上可分為兩類：一類時(shí)指令（即指令字）；另一類是操作數(shù)（即數(shù)據(jù)字）。第三十三頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)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(shí)序部件和控制部件指令部件：程序計(jì)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(hào)去控制相應(yīng)的電路。第三十四頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)時(shí)序部件：包括時(shí)鐘源、節(jié)拍發(fā)生器及微操作電路。控制部件：由各控制電路組成。（4）I/O設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)：能將計(jì)算程序、原始數(shù)據(jù)及某些字符以計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式送到機(jī)器中，供機(jī)器自動(dòng)計(jì)算用。輸出設(shè)備的任務(wù)：能將計(jì)算機(jī)的工作結(jié)果或回答信號(hào)以人能識(shí)別的各種形式表達(dá)出來(lái)。復(fù)合I/O設(shè)備：既能作為輸入又能作為輸出的設(shè)備。第三十五頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)軟件的分類計(jì)算機(jī)軟件＝程序＋數(shù)據(jù)＋文檔計(jì)算程序，因?yàn)樗菬o(wú)形的東西，稱為軟件或軟設(shè)施。軟件是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。第三十六頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)軟件分類操作系統(tǒng) 語(yǔ)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(kù)管理系統(tǒng)瀏覽器實(shí)時(shí)控制軟件診斷、排錯(cuò)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)軟件第三十七頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)三、計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì)上就是不斷地從存儲(chǔ)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。第三十八頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)【例如】一段簡(jiǎn)單的匯編源程序如下所示，分析計(jì)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：第三十九頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(1)CLA指令的指令周期一個(gè)機(jī)器周期一個(gè)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(duì)指令譯碼執(zhí)行指令取下條指令PC+1第四十頁(yè)，共73頁(yè)。取出CLA指令算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)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(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+1000020202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021第四十一頁(yè)，共73頁(yè)。算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)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(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+1202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021000000執(zhí)行CLA指令第四十二頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(2)ADD指令的指令周期一個(gè)機(jī)器周期一個(gè)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(duì)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(gè)機(jī)器周期第四十三頁(yè)，共73頁(yè)。算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)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(shí)序產(chǎn)生器時(shí)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指令第四十四頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(3)STA指令的指令周期

第四十五頁(yè)，共73頁(yè)。算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)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(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000022STASTA40000022000023000040000006000006000006取出并執(zhí)行STA指令第四十六頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(4)NOP指令和JMP指令的指令周期第四十七頁(yè)，共73頁(yè)。算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)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(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+1202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000024JMP21JMP21000024000021000006000025000021取出并執(zhí)行JMP指令第四十八頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(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。它通常由五個(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)，如下圖所示。第四十九頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)器M4（高級(jí)語(yǔ)言級(jí)）

虛擬機(jī)器

M3（匯編語(yǔ)言級(jí)）

虛擬機(jī)器

M2（操作系統(tǒng)語(yǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖第五十頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)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)行微令。

第二級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。第三級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語(yǔ)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。第四級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)，這是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的

。第五十一頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中,將除硬件系統(tǒng)之外的上面三級(jí)層次稱為虛擬機(jī)。所謂虛擬計(jì)算機(jī)是指這個(gè)計(jì)算機(jī)只對(duì)該級(jí)的觀察者存在。對(duì)某一層次的觀察者來(lái)說(shuō)，他只能是通過該層次的語(yǔ)言來(lái)了解和使用計(jì)算機(jī)，至于下層是如何工作和實(shí)現(xiàn)的就不必關(guān)心了。簡(jiǎn)而言之，虛擬計(jì)算機(jī)即是由軟件實(shí)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(duì)的。也可以進(jìn)一步細(xì)分為七級(jí)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。第五十二頁(yè)，共73頁(yè)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)用戶級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)系統(tǒng)軟件級(jí)機(jī)器級(jí)控制級(jí)數(shù)字邏輯級(jí)

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(kù)代碼)Level4(匯編語(yǔ)言代碼)Level5(C++，Java，等)Level6(可執(zhí)行程序)第五十三頁(yè)，共73頁(yè)。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)第五十四頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)一、計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)要了解一臺(tái)計(jì)算機(jī)的綜合性能可以從以下幾方面來(lái)衡量：1.CPU主頻：主頻是一個(gè)主要性能指標(biāo)，很大程度上決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，單位是MHZ。CPU時(shí)鐘周期：T=1/f字長(zhǎng)：字長(zhǎng)標(biāo)志著機(jī)器的計(jì)算精度。運(yùn)算速度：用“每秒鐘計(jì)算次數(shù)”來(lái)衡量，也可以用“每秒鐘執(zhí)行指令的數(shù)量”來(lái)衡量。運(yùn)算方式：串行運(yùn)算，并行運(yùn)算。指令系統(tǒng)：根據(jù)指令功能齊全程度來(lái)衡量。中斷系統(tǒng)：?jiǎn)沃刂袛?，多重中斷。第五十五?yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)2.MEM存儲(chǔ)周期：用存儲(chǔ)器從接收到讀寫命令開始，到完成讀寫操作需要的時(shí)間來(lái)衡量；它反映了存儲(chǔ)器的速度，也直接決定CPU的運(yùn)算速度。存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)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(yǔ)言，應(yīng)用軟件的兼容性。第五十六頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指在用戶向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求后，到系統(tǒng)對(duì)該請(qǐng)求做出響應(yīng)并獲得他所需要的結(jié)果所需的等待時(shí)間，其中包括了訪問磁盤和訪問主存儲(chǔ)器時(shí)間、CPU運(yùn)算時(shí)間、輸入輸出動(dòng)作時(shí)間以及操作系統(tǒng)工作的時(shí)間開銷等。2.吞吐率吞吐率定義為系統(tǒng)響應(yīng)用戶請(qǐng)求的速率。對(duì)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(diǎn)操作次數(shù)。第五十七頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)3.CPU執(zhí)行時(shí)間單CPU計(jì)算機(jī)的CPU執(zhí)行時(shí)間主要取決三個(gè)因素：時(shí)鐘周期T、每條指令所需時(shí)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(shí)鐘周期的時(shí)間長(zhǎng)度，CPI為每條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)，則該程序在CPU上運(yùn)行所需的時(shí)間TCPU為：第五十八頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)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(shí)鐘周期數(shù)主要與計(jì)算機(jī)組成和指令系統(tǒng)有關(guān)，而時(shí)鐘周期則主要有硬件工藝和計(jì)算機(jī)組成決定。每條指令平均所需時(shí)鐘周期CPI是執(zhí)行整個(gè)程序所需CPU時(shí)鐘周期與程序中指令總數(shù)之商，或者說(shuō)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(shí)鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令總類數(shù)。第五十九頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)4.MIPS(MillionInstructionsPerSecond)衡量CPU性能的一個(gè)指標(biāo)是每秒百萬(wàn)次指令數(shù)MIPS，它反映計(jì)算機(jī)每秒可執(zhí)行的指令數(shù)。對(duì)于給定的一個(gè)程序，計(jì)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(shí)間。第六十頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)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(shí)鐘周期TC的倒數(shù)。MIPS指標(biāo)只適宜評(píng)價(jià)標(biāo)量機(jī)的性能。因?yàn)闃?biāo)量機(jī)中執(zhí)行一條指令，一般可以得到一個(gè)運(yùn)算結(jié)果。而向量指令通常要對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)元素進(jìn)行運(yùn)算，得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果，MIPS不能反映向量機(jī)中數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度。第六十一頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)不同計(jì)算機(jī)的指令功能不完全相同，比較時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。更合理的性能比較，一般采用相對(duì)MIPS指標(biāo)MIPSref，選擇一個(gè)參照計(jì)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(shí)間，TV表示相同程序在要評(píng)價(jià)的計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間。第六十二頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)5.MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)另一個(gè)衡量CPU性能的指標(biāo)是每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)MFLOPS指標(biāo)。它反映計(jì)算機(jī)每秒可執(zhí)行多少次浮點(diǎn)運(yùn)算。該指標(biāo)可用如下式子表示：式中，IFN表示程序中浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。MFLOPS測(cè)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(gè)重要區(qū)別是：在MIPS性能指標(biāo)中，不僅將數(shù)據(jù)運(yùn)算指令計(jì)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(chǔ)數(shù)、轉(zhuǎn)移等都計(jì)算在內(nèi)，而MFLOPS中則不包含這些指令。第六十三頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)6.Amdahl定律在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)者Amdahl提出了一個(gè)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(duì)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(shí)間的比例。Amdahl定律實(shí)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(shí)間的加速比。第六十四頁(yè)，共73頁(yè)。1.3計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)若以T0表示采用增強(qiáng)功能措施前完成某一任務(wù)所需要的時(shí)間，而以Te表示采用某種增強(qiáng)功能措施后完成同一任