《計算機組成原理》課件第1章

第1章計算機系統(tǒng)概述1.1計算機系統(tǒng)的組成1.2計算機的工作過程1.3計算機的性能指標(biāo)1.4計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5計算機的發(fā)展1.6MIPS架構(gòu)計算機習(xí)題

1.1計算機系統(tǒng)的組成

1.1.1計算機的基本概念計算機是一種能夠運行存儲的程序,自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,如圖1－1所示。圖1－1計算機系統(tǒng)的組成

硬件是指計算機系統(tǒng)中由電子、機械和光電元件等組成的各種物理設(shè)備的總稱。這些物理裝置按系統(tǒng)功能要求構(gòu)成一個有機的整體,是計算機軟件運行的物質(zhì)基礎(chǔ)。

軟件是看不見、摸不著的,它是計算機中使用的各種程序和數(shù)據(jù)文檔的總稱。程序是指按照特定順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令序列的集合。軟件存儲在計算機的內(nèi)存和輔助存

儲器中,如RAM、ROM、磁帶、磁盤、光盤、flash、U盤等。

一般來講軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

(1)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件是指為了更加方便、高效地使用硬件資源而編寫的控制和協(xié)調(diào)計算機各設(shè)備,為應(yīng)用軟件的開發(fā)和運行提供服務(wù),并且無需用戶干預(yù)的各種程序的集

合。

(2)應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件是指計算機用戶為了解決各種問題而編寫的程序。

系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的劃分界限并不是很嚴(yán)格,一些具有通用價值的軟件對設(shè)計者而言是應(yīng)用程序,但對其使用者來說就是系統(tǒng)程序。

1.1.2馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機

1945年3月,匈牙利裔美籍?dāng)?shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼(JohnvonNeumann,1903—1957年)起草了世界上第一臺電子計算機ENIAC的設(shè)計報告初稿EDVAC(Electronic

DiscreteVariableAutomaticComputer),提出了“存儲程序”的思想。這份報告在計算機發(fā)展史上具有劃時代的意義,奠定了計算機設(shè)計的理論基礎(chǔ)。采用馮·諾依曼思想設(shè)計的計

算機被稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機,雖然現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,計算能力更加強大,但基本結(jié)構(gòu)仍然是基于這一原理設(shè)計的,因此,馮·諾依曼被稱為“計算機之父”。

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的特點是:

(1)計算機由五大部件構(gòu)成,即計算機=存儲器+運算器+控制器+輸入設(shè)備+輸出設(shè)備。

(2)所有的程序(包括指令和數(shù)據(jù))都是用二進制形式存儲在內(nèi)存中的。

(3)計算機應(yīng)該能夠自動按照程序的要求順序執(zhí)行指令。

典型的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的框圖如圖1－2所示。圖1－2典型的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的框圖

這里簡單介紹各部件的功能,其工作原理和具體的實現(xiàn)過程將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)說明。

(1)運算器(ArithmeticandLogicalUnit,ALU):完成算術(shù)運算和邏輯運算。

(2)主存儲器(MainMemory,MM):用來存儲程序和數(shù)據(jù)。圖1－2中的存儲器就是主存儲器,也稱為內(nèi)存,所有CPU執(zhí)行的程序必須加載并存儲在內(nèi)存中。

(3)控制器(ControlUnit,CU):是計算機的控制中心,可以根據(jù)指令的功能,順序產(chǎn)生每條指令在執(zhí)行過程中各部件的控制信號,保證指令能夠有條不紊地按順序執(zhí)行。

(4)輸入設(shè)備:將人們需要處理的信息轉(zhuǎn)化為計算機能夠識別的信息形式。

(5)輸出設(shè)備:將計算機處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們能夠接受的信息形式。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機和繪圖儀等。

有些設(shè)備既具有輸出功能又具有輸入功能,如網(wǎng)卡和輔助存儲器,因此把這類設(shè)備稱為I/O設(shè)備。

通常將運算器(ALU)和控制器(CU)合稱為中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)。

在圖1－2中可以看到有三種類型的信息在傳遞,分別是數(shù)據(jù)流、指令流和控制流。指令流是指存放在主存儲器里的程序中的一條條指令按順序依次送到控制器中的形式,這個

過程被稱為取指令;數(shù)據(jù)流是指兩個部件之間有數(shù)據(jù)傳輸,從圖中可以看到數(shù)據(jù)可以在運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備之間傳輸;控制流是指各部件的控制信號,由于所有的控制信號都是從控制器發(fā)出的,因此控制器是保證數(shù)據(jù)能夠在各部件之間正確傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備,如果把計算機比作電腦的話,控制器就是計算機的“腦”。

另外一種常見的計算機結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)。圖1－3是哈佛結(jié)構(gòu)計算機的框圖。與馮·諾依曼結(jié)構(gòu)相比,哈佛結(jié)構(gòu)是將指令和數(shù)據(jù)分開存儲的計算機,并且兩個存儲器具有各自獨

立的地址訪問空間和訪問總線。由于指令和數(shù)據(jù)是分開儲存的,因此上一條指令執(zhí)行的同時可以預(yù)先讀取下一條指令,因此具有較高的執(zhí)行效率。

哈佛結(jié)構(gòu)的主要缺點主要缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,對外圍設(shè)備的連接和處理要求高,不適合外圍存儲器的擴展。圖1－3哈佛結(jié)構(gòu)計算機的框圖

現(xiàn)在的通用處理器通常在內(nèi)部采用將指令和數(shù)據(jù)分開存放的Cache,處理器外部Cache采用統(tǒng)一的方式。哈佛結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于嵌入式計算機中,在嵌入式應(yīng)用中,系統(tǒng)要

執(zhí)行的任務(wù)相對單一,程序通常是固化在硬件中的。

1.2計算機的工作過程

指令規(guī)定了計算機的一個基本動作,程序是完成某個特定功能的指令的有序集合。按照馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的特點,計算機應(yīng)該能夠自動執(zhí)行程序,而程序是由一條一條的指令構(gòu)成的,換句話說,計算機應(yīng)該能夠順序地執(zhí)行每一條指令。計算機的工作過程實際上是一個周而復(fù)始的過程,即取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程,這個過程可以用圖1－4來描述。圖1－4計算機的工作過程

這里以一個取數(shù)指令LoadACC,X為例,說明一條指令的執(zhí)行過程。取數(shù)指令LoadACC,X的功能是將主存地址為X的存儲單元的數(shù)據(jù)取出來,放入累加器ACC中。

指令的具體執(zhí)行過程是由計算機的硬件完成的,而計算機的硬件結(jié)構(gòu)又是千差萬別的,這里我們將計算機的硬件用圖1－5所示的細(xì)化框圖來描述。為了說明計算機的工作過

程,首先簡要說明圖中存儲器、運算器和控制器的基本構(gòu)成。圖1－5計算機硬件的細(xì)化框圖

存儲器用來存放指令和數(shù)據(jù)。圖1－5中的存儲器是由存儲體和兩個寄存器MDR和MAR組成的,其中,存儲體是由許多存儲單元構(gòu)成的,每一個存儲單元可以存儲n位的二進制信息,n就是存儲器的字長。

運算器是執(zhí)行算術(shù)、邏輯和移位運算的。圖1－5中的運算器是由ALU和兩個數(shù)據(jù)寄存器X、ACC組成的,運算器的兩個輸入數(shù)據(jù)來自X和ACC,運算結(jié)果又回存到ACC中。

控制器由控制單元CU、程序計數(shù)器PC和指令寄存器IR等組成。PC實際上是個程序指針,也就是一個地址,這個地址指示將要執(zhí)行指令的地址。由于指令是存放在主存儲器中的,因此主存儲器中PC指示的存儲單元中存放的就是將要執(zhí)行的下一條指令。IR是用于暫存當(dāng)前正在執(zhí)行指令機器碼的寄存器,這個寄存器為指令譯碼和指令執(zhí)行提供相關(guān)信

息。CU是整個計算機的控制中心,一條指令完整執(zhí)行的各個環(huán)節(jié)所需要的控制信號都是從這里產(chǎn)生的。

我們以取數(shù)指令LoadACC,X為例,說明如圖1－4所示的機器中指令的執(zhí)行過程。假設(shè)此刻PC的內(nèi)容等于Y,也就是說,該指令存放在主存中地址為Y的單元中。

1.取指令

取指令階段的基本任務(wù)是將指令從內(nèi)存中取出來存入IR。這個階段的具體操作工程如下:

(1)PC→MAR,即控制器將PC的內(nèi)容送至存儲器的MAR,MAR的值為Y。

(2)讀存儲器M(MAR)→MDR,即將主存儲器中地址為MAR的存儲單元的內(nèi)容送入MDR,此時由于是取指令時間段,因此MDR中存放的代碼就是將要執(zhí)行的指令代碼,

即LoadACC,X指令的機器碼。

(3)PC+1→PC,PC指向下一條指令。

(4)MDR→IR,將MDR中的指令送入IR,IR中存放LoadACC,X的機器碼。

2.分析指令

對IR中的操作碼和地址碼進行分析,控制器獲知這是一條取數(shù)指令,與這條指令相關(guān)的設(shè)備是ALU中的ACC和存儲器中地址為X的存儲單元?？刂茊卧狢U就會根據(jù)指令

的功能要求,按照時間順序依次正確的產(chǎn)生取數(shù)指令執(zhí)行時所需要的全部控制命令,保證取數(shù)指令功能的正確性。

3.執(zhí)行指令

(1)IR(X)→MAR,將IR中存儲單元的地址X送至存儲器的MAR。

(2)讀存儲器M(MAR)→MDR,這個操作和取指令階段(2)的操作是一樣的,但是由于不是在取指令時間,因此這個階段取出來的是數(shù)據(jù)。

(3)MDR→ACC,將MDR中的數(shù)據(jù)送往ACC,這是指令功能規(guī)定的。至此完成了取數(shù)指令的功能。

這條指令執(zhí)行完畢后,在進行公共操作處理后會繼續(xù)下一條指令的執(zhí)行,順序執(zhí)行取指令、分析和執(zhí)行指令,直至程序結(jié)束,機器會自動停機。

1.3計算機的性能指標(biāo)

對于單個計算機而言,如果其性能用時間來度量,那么響應(yīng)時間越短的計算機,其性能也就越好。響應(yīng)時間是指計算機完成某種任務(wù)所需的總時間,包括硬盤訪問、內(nèi)存訪問、I/O活動、操作系統(tǒng)開銷和CPU執(zhí)行時間等。在通常情況下,可以從以下幾個方面對計算機的性能進行評價。

1.字長

一般來說,把計算機在同一時間內(nèi)能夠并行處理的一組二進制位數(shù)稱為一個計算機的“字長”。這個指標(biāo)與數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和運算器的位數(shù)有關(guān)。為了提高CPU效率,存儲器字長、總線字長、運算器中寄存器的位數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的。字長越長的數(shù)據(jù)其表示范圍就越大,一次運算的數(shù)據(jù)位數(shù)就越多,計算機的速度就越快,其硬件成本也就越高。

2.存儲容量

存儲容量主要包括主存儲器容量(簡稱主存容量)和外存儲器容量。常用的容量單位有K、M、G、T、P,具體關(guān)系如下:

(1)主存儲器是指可以直接與CPU進行數(shù)據(jù)交換的存儲器。需要執(zhí)行的程序就存放在主存中,主存的容量越大,計算機的數(shù)據(jù)處理速度就越快。主存容量是指主存中存放二進制代碼的位數(shù),即:

主存容量=主存儲器單元總數(shù)×存儲單元字長

(2)外存儲器容量通常是指硬盤容量。外存可以存放各種程序和數(shù)據(jù),外存的容量越大,可存儲的信息就越多。

3.運算速度

衡量計算機運算速度要根據(jù)其執(zhí)行程序所需時間的長短,通常情況下一個程序的執(zhí)行時間由下面的公式?jīng)Q定:

一個程序的CPU執(zhí)行時間

=一個程序的時鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期(1－1)

從式(1－1)可以看出,只要減少程序的CPU時鐘周期數(shù)或者縮短時鐘周期,都可以縮短程序的運行時間。

由于程序的功能不同,程序的規(guī)模差異也很大,因此不同程序的執(zhí)行時間沒有可比性。

常用的衡量運算速度的指標(biāo)很多,這里只介紹幾個常見的指標(biāo)。

1)主頻

主頻是CPU時鐘信號的頻率,是時鐘周期的倒數(shù)。時鐘頻率越高,式(1－1)中的時鐘周期就越短,執(zhí)行每個操作的時間就越短,程序的執(zhí)行時間也就越短。主頻的計算公式如下:

式中,fcpu

是CPU的頻率;tcpu是時鐘周期。

2)指令的執(zhí)行速度

指令的執(zhí)行速度是指每秒執(zhí)行的指令條數(shù)。

由于每個程序的功能和復(fù)雜程度都不一樣,因此每個程序的執(zhí)行時間都是有差異的。程序是由不同的指令序列構(gòu)成的,每一條指令的復(fù)雜程度不同,其執(zhí)行時間也不同,因此需要計算出指令的平均執(zhí)行時間Tm

。Tm

的計算公式如下:

式中,fi

表示指令系統(tǒng)中第i條指令出現(xiàn)的概率;ti

表示第i條指令的指令周期(這條指令從取出到指令執(zhí)行完畢的完整時間)。

有了指令的平均執(zhí)行時間Tm

就可以算出計算機每秒執(zhí)行指令的條數(shù)了,也就是常說的運算速度Vm了。運算速度的單位是MIPS(MillionInstructionsperSecond,每秒百萬條指令),其計算公式如下:

3)CPI(CycleperInstruction)

CPI是每條指令執(zhí)行時所花費的平均時鐘周期數(shù)。CPI是一個程序中所有指令執(zhí)行所用時鐘周期的平均值,通過這個值可以對相同指令集的不同實現(xiàn)方法進行性能比較。式

(1－1)中“程序的CPU時鐘周期數(shù)”可以轉(zhuǎn)換用式(15)表示:

CPU時鐘周期數(shù)

=程序的指令數(shù)×每條指令的平均時鐘周期數(shù)

(1－5)

例1－1計算機A和計算機B具有相同的指令集,計算機A的時鐘周期是250ps,執(zhí)行程序P的CPI是2.0;計算機B的時鐘周期是500ps,執(zhí)行相同程序的CPI是1.2。試

比較兩臺計算機的速度。

解

設(shè)程序P的指令條數(shù)為I。首先計算每臺計算機的CPU時鐘周期數(shù):

然后計算每臺計算機的CPU時間:

因此,計算機A的速度更快。

4)FLOPS(Floating-pointOperationsperSecond)

FLOPS用來衡量計算機浮點數(shù)據(jù)的處理能力,是指每秒所執(zhí)行的浮點運算次數(shù)。目前大部分處理器都有一個專門用來處理浮點數(shù)據(jù)的“浮點運算器”(FPU)。FLOPS所測量

的,實際上就是FPU的執(zhí)行速度。目前世界最快超算的排名就是通過運行Linpack軟件包,測量其FLOPS決定的。

4.可靠性

計算機的可靠性可以用計算機平均無故障工作時間來表示,即計算機硬件運行時不發(fā)生故障的平均時間。

1.4計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.4.1計算機層次結(jié)構(gòu)的劃分計算機系統(tǒng)是由硬件、軟件組成的一個十分復(fù)雜的整體。一臺計算機硬件最終能夠執(zhí)行的程序都是由其所能識別的指令組成的,而且只能識別0、1機器代碼。對于同一個計算機,從不同角度看到的計算機系統(tǒng)的屬性是不同的,如從使用人員的角度,計算機可以分為用戶、應(yīng)用程序開發(fā)者、操作系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計者等,每個人對計算機的使用角度和知識背景都是有很大差異的。

不同人在使用計算機時,根據(jù)其目的和對硬件的了解程度可以分為多個不同的層次。最常用的層次劃分方法是從使用語言的角度出發(fā),這樣就可以把計算機系統(tǒng)按功能劃分成如圖1－6所示的5個級別層次,用戶可以根據(jù)需要選擇其中

的一個層次,了解計算機系統(tǒng)的特性和工作原理,完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)。圖1－6中從上到下的5個層次可以假設(shè)成5種不同的機器,指令系統(tǒng)之上的級別屬于軟件,指令系統(tǒng)之下的級別屬于硬件。圖1－6計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意圖

隨著超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展,許多之前由于受限于硬件成本而采用軟件實現(xiàn)的功能都可以改為由硬件來實現(xiàn),這就是軟件硬化。例如,早期的許多浮點運算都是由軟件開發(fā)包實現(xiàn)的,現(xiàn)在的CPU都支持浮點運算指令,即可用硬件完成浮點運算。

1.4.2計算機體系各層次的特點

圖1－6中最高級是第五級,即虛擬機器M4高級語言級,這一級屬于軟件級。使用者可以用高級語言來使用機器,編寫的高級語言程序需要由相應(yīng)的編譯程序轉(zhuǎn)換為匯編語言后交由第四級機器執(zhí)行。M4級的用戶只需要掌握高級語言的語法和語義,就能夠通過編程使用機器,而對機器的具體機型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)幾乎可以一無所知,這樣為程序員帶來了極大的方便,程序的可移植性就很好。

例如,要計算1~10的和,可以采用C語言編寫如下程序段實現(xiàn):

第四級M3是匯編語言級,屬于軟件級,匯編語言使用匯編指令寫程序。匯編指令是用一些接近人類語言的符號表示機器指令、數(shù)據(jù)或其地址,如用ADD表示加法操作、用LOAD表示取數(shù)操作等,這樣程序員就不必記憶毫無規(guī)律的二進制機器指令和編碼了。為了能夠讓機器執(zhí)行匯編指令,這些匯編指令必須翻譯為機器指令,這個翻譯工作是由匯編

語言程序完成的。在通常情況下,匯編語言的語句和機器指令有一一對應(yīng)的關(guān)系,因此用匯編語言編寫的程序轉(zhuǎn)換為機器語言時生成的冗余代碼會很少,程序的執(zhí)行效率很高。相

比而言,高級語言轉(zhuǎn)換為機器語言會生成許多冗余代碼。

同樣計算1~10的和,采用MIPS指令的匯編語言編寫的程序段如下所示:

從這個程序段可以看到,使用匯編語言的程序員不但要掌握MIPS匯編語言,還需要了解寄存器的數(shù)量、寄存器的名稱、數(shù)據(jù)存放的具體位置等硬件知識,這對程序員的要求是比較高的。

第三級M2是機器語言級,這一級處于軟件和硬件的交界處。不同機器硬件能夠識別的指令系統(tǒng)是不一樣的,如Intel系列CPU和ARM系列CPU所能識別的指令系統(tǒng)是不同的。每一個機器的硬件所能夠執(zhí)行的指令集由其設(shè)計者決定,其指令的類別、格式和尋址方式都是千差萬別的,機器語言的可移植性很差。圖1－7中給出了與上面MIPS匯編語言程序?qū)?yīng)的機器語言指令。其中,右邊一列是匯編語言程序?qū)?yīng)的機器指令的十六進制表示,左邊是機器指令在內(nèi)存中存放的地址,這個程序即使是經(jīng)驗豐富的匯編語言程序員也無法直接讀懂。圖1－7機器語言指令

第二級M1屬于計算機的硬件設(shè)計級別,在這一級中,可以把計算機看成是用數(shù)據(jù)流將各功能模塊連接起來的框圖。這個級別的機器按照指令系統(tǒng)中所有指令的功能和尋址方式確定每個模塊的接口和數(shù)據(jù)通路的設(shè)計。

例如,一個運算器的框圖可以表示為如圖1－8所示的運算器框圖。從圖中可以看出,運算器的數(shù)據(jù)來源和最終的運算結(jié)果都存放在寄存器中。圖1－8運算器框圖

第一級M0是真實的物理機器,屬于硬件級,是直接用組合邏輯電路和時序邏輯電路實現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng),是計算機系統(tǒng)最底層的硬件系統(tǒng)。

在計算機體系結(jié)構(gòu)中,各層級之間相互關(guān)聯(lián),上層為下層的應(yīng)用提供擴展,下層為上層的實現(xiàn)提供基礎(chǔ),這是計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的一個特點。

1.5計算機的發(fā)展

1.5.1計算機的發(fā)展歷程從1946年2月14日世界上第一臺電子數(shù)字計算機(ElectronicNumericalIntegratorandComputer,ENIAC)在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生以來,計算機經(jīng)歷了四代。計算機的更新?lián)Q代與硬件技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的,表1－1列出了計算機發(fā)展各個階段的軟硬件特點。

在計算機的發(fā)展過程中,摩爾定律主導(dǎo)了IT行業(yè)的發(fā)展趨勢。摩爾定律是由英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GordonMoore)提出來的。其內(nèi)容為:當(dāng)價格不變時,集成電路上可容納的元器件數(shù)目,約每隔18~24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18~24個月翻一倍以上。圖1－9是1959年到1975年半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展規(guī)律,即摩爾定律的示意圖。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度,盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀(jì),但是隨著硅芯片正接近物理和經(jīng)濟成本上的極限,摩爾定律所預(yù)言的指數(shù)增長到某個時間點必定會放緩。圖1－9摩爾定律的示意圖

1.5.2計算機的分類

計算機的形式多種多樣,從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法。

(1)計算機按信息的表示形式和處理方式可分為模擬計算機和數(shù)字計算機。模擬計算機內(nèi)部信號的表示形式是連續(xù)變化的模擬電壓,基本運算部件為運算放大器。

(2)計算機按照用途可分為通用計算機和專用計算機。通用計算機是指適用于各種應(yīng)用場合,功能齊全、通用性好的計算機。

(3)計算機可以按計算機系統(tǒng)的規(guī)模進行分類,其中規(guī)模主要是指計算機的體積、性能指標(biāo)、指令系統(tǒng)等特性。通常可將計算機分為單片機、微型機、小型機、大型機和超級計

算機等。

①單片機是指把中央處理器CPU、存儲器、定時器和常用I/O接口電路等計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。

②微型機也稱為微機,是指由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的計算機。它以微處理器為基礎(chǔ),配以內(nèi)存儲器、輸入/輸出(I/O)接口電路及相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成,是應(yīng)用

最為廣泛的計算機,常見的有臺式機和筆記本電腦。

③小型機是相對于大型機而言的,軟件和硬件規(guī)模較小,價格介于微型機和大型機之間的一種高性能計算機,主要采用主機/終端模式和UNIX操作系統(tǒng),通常作為專業(yè)的服務(wù)器,具有高RAS(Reliability,Availability,Serviceability,高可靠性、高可用性、高服務(wù)性)特性。

④大型機的功能、價格以及性能都在小型機和微型機之上,是一種主要用于大規(guī)模計算的計算機系統(tǒng),由于其一般具有較大的體積而被稱為大型機。大型機除了具有RAS特

性外,還具有很高的I/O數(shù)據(jù)吞吐率和處理器指令架構(gòu)的兼容性,通常用于政府、銀行、交通、保險公司和大型制造企業(yè)。

⑤超級計算機也稱為“超算”,通常由成千上萬個計算節(jié)點和服務(wù)節(jié)點組成,具有強大的計算和數(shù)據(jù)處理能力,多用于高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)的研究。

1.5.3計算機的應(yīng)用

1.科學(xué)計算

早期的計算機主要用于科學(xué)計算,人們利用計算機來完科學(xué)研究和工程技術(shù)中數(shù)學(xué)問題的計算。利用計算機的高速計算、大存儲容量和連續(xù)運算的能力,可以實現(xiàn)各種人工無法解決的科學(xué)計算問題。科學(xué)計算目前仍然是計算機應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域,如在高能物理、工程設(shè)計、地震預(yù)測、氣象預(yù)報、航天技術(shù)等領(lǐng)域都需要對大量的數(shù)據(jù)進行復(fù)雜處理。

2.數(shù)據(jù)處理(信息管理)

數(shù)據(jù)處理是指用計算機來加工、管理與操作各種形式的數(shù)據(jù)資料,如企業(yè)管理、物資管理、報表統(tǒng)計、賬目計算、信息情報檢索等,主要包括數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、分組、組織、

計算、排序、存儲、檢索等。目前,數(shù)據(jù)處理已被廣泛應(yīng)用于辦公自動化、企事業(yè)計算機輔助管理與決策、情報檢索、圖書管理、電影電視動畫設(shè)計、會計電算化等各行各業(yè)。

3.過程控制

過程控制是指利用計算機和傳感器對監(jiān)測目標(biāo)進行各種物理量的采集,然后經(jīng)過計算,迅速地對控制目標(biāo)進行自動調(diào)節(jié)或自動控制的過程。采用計算機進行過程控制,不僅可以大大提高控制的自動化水平,而且可以提高控制的及時性和準(zhǔn)確性,從而改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。計算機過程控制在軍事、機械、石油、化工、紡織、水電、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

4.輔助技術(shù)

計算機輔助技術(shù)包括CAD、CAM和CAI等。

(1)計算機輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign,CAD)。計算機輔助設(shè)計是指利用計算機系統(tǒng)來輔助設(shè)計人員進行工程或產(chǎn)品設(shè)計,以實現(xiàn)最佳設(shè)計效果的一種技術(shù)。

(2)計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)。計算機輔助制造是指利用計算機系統(tǒng)進行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程。

(3)計算機輔助教學(xué)(ComputerAidedInstruction,CAI)。

5.人工智能

人工智能(ArtificialIntelligence)是指用計算機模擬人類的智能活動,開發(fā)一些具有類似人類某些智能的應(yīng)用系統(tǒng),如計算機推理、智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、智能機器人等。現(xiàn)

在人工智能的研究已取得不少成果,有些已開始走向?qū)嵱秒A段。

例如,能模擬高水平醫(yī)學(xué)專家進行疾病診療的專家系統(tǒng),具有一定思維能力的AlphaGo下棋智能機器人已經(jīng)能夠戰(zhàn)勝人類的圍棋頂尖高手。

6.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

計算機技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了計算機網(wǎng)絡(luò)。計算機網(wǎng)絡(luò)的建立,縮短了地域之間的距離,實現(xiàn)了軟、硬件資源的共享,也促進了人與人之間的交流,各種交際網(wǎng)站、電子商務(wù)正在潛移默化地改變著我們生活的方方面面。

1.5.4計算機展望

從1946年第一臺計算機問世以來,經(jīng)過半個多世紀(jì)的飛速發(fā)展,從超級巨型機到掌上移動設(shè)備,計算機無所不在。

1.生物計算機

生物計算機將通過生物工程生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子作為生物芯片來代替半導(dǎo)體的硅片,所以生物計算機又被稱為仿生計算機。生物的遺傳性狀是由帶有遺傳信息的DNA決定的。

2.量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律,且能夠進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機處理數(shù)據(jù)時用量子算法,儲存數(shù)據(jù)采用量子比特的形式。目前關(guān)于量子計算機的研制還沒有突破性的進展,但是,量子計算機引起了科學(xué)家們很大的興趣,在不久的未來,量子計算機也許會熠熠生輝。

3.光子計算機

光子計算機是一種利用光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計算機。光子計算機在數(shù)據(jù)信息處理的時候不再像傳統(tǒng)的計算機一樣用電子和電運算,而是利用光子和光運算。光子具有很高的傳輸速度,這就使得光子計算機具有超強的并行處理能力。此外,光子計算機還有一個重要的優(yōu)點,就是當(dāng)其處理信息時某一元件或數(shù)據(jù)處理出

現(xiàn)錯誤時并不影響其最終的結(jié)果。

光子計算機和傳統(tǒng)的計算機相比,具有以下幾個優(yōu)點:

①避免電磁場的影響。

②超高速的運算速度。。

③超大規(guī)模的信息存儲容量。

④低能量消耗,低發(fā)熱量。

未來不論采用什么技術(shù),我們相信計算機將會使我們的生活更加方便快捷、豐富多彩。

1.6MIPS架構(gòu)計算機

1.6.1MIPS概述

MIPS(MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages,無互鎖流水線微處理器)是由MIPSTechnologies公司開發(fā)的精簡指令集計算機(RISC)指令集架構(gòu)(ISA)。早期的MIPS架構(gòu)是32位的,以后增加了64位的版本。

MIPS的指令系統(tǒng)經(jīng)過通用處理器指令體系(從MIPSⅠ、MIPSⅡ、MIPSⅢ、MIPSⅣ到MIPSⅤ)和嵌入式指令體系(從MIPS16、MIPS32到MIPS64)的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。應(yīng)用廣泛的32位MIPSCPU包括R2000、R3000,其ISA版本都是MIPSI,另一個廣泛使用的、包含許多重要改進的64位MIPSCPU是R4000及其后續(xù)產(chǎn)品,其ISA版本為MIPSⅢ。當(dāng)前使用的版本是MIPS32(用于32位實現(xiàn))和MIPS64(用于64位實現(xiàn))。圖1－10是MIPS指令集各版本之間的關(guān)系圖。

從圖中可以看出,每個版本都是其前身的超集。圖1－10MIPS指令集各版本之間的關(guān)系圖

MIPS32和MIPS64定義了控制寄存器集以及指令集。另外,還有幾個可選的擴展,包括:

①MIPS3D,它是專用于通用3D任務(wù)的一組簡單的浮點SIMD指令;

②MDMX,它是使用64位浮點寄存器功能、更加強大的整數(shù)SIMD指令集;

③MIPS16e,它增加了壓縮指令流,使程序占用更少的空間;

④MIPSMT,它增加了多線程處理能力。

MIPS是加載存儲體系結(jié)構(gòu)(有時也稱為“RR”),這意味著大多數(shù)的指令數(shù)據(jù)是在寄存器之間傳送的,只有存數(shù)和取數(shù)指令需要訪問存儲器。MIPS是一種支持多達四個協(xié)處理

器(COP0/1/2/3)的模塊化架構(gòu)。在MIPS術(shù)語中,COP0是系統(tǒng)控制協(xié)處理器(CPU的主要部分),