2025年計(jì)算機(jī)組成原理第1章

1計(jì)算機(jī)組成原理2目標(biāo)1—掌握計(jì)算機(jī)組成與原理*建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念*掌握計(jì)算機(jī)的組成與工作原理*了解計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的新技術(shù)目標(biāo)2—訓(xùn)練分析與計(jì)算能力*掌握組成與結(jié)構(gòu)的性能分析方法*通過(guò)量化計(jì)算，加深對(duì)組成與原理的理解目標(biāo)3—培養(yǎng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)能力*通過(guò)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)簡(jiǎn)單應(yīng)用及邏輯設(shè)計(jì)能力課程目標(biāo)3教學(xué)要求先修課程—數(shù)字電路基礎(chǔ)、C/C++程序設(shè)計(jì)教學(xué)方式—理論教學(xué)＋實(shí)驗(yàn)教學(xué)(64學(xué)時(shí))(16學(xué)時(shí))參考教材—任國(guó)林.計(jì)算機(jī)組成原理.電子工業(yè)出版社,2010考核方式—平時(shí)＋實(shí)驗(yàn)＋期末(10%)(10%)(80%)4第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論5§1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、計(jì)算機(jī)的功能*計(jì)算機(jī)的概念：←指電子計(jì)算機(jī)

采用電子數(shù)字方式計(jì)算，可根據(jù)邏輯結(jié)果控制計(jì)算過(guò)程

數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，過(guò)程控制*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成：

計(jì)算機(jī)硬件—具備特定功能的部件

計(jì)算機(jī)軟件—表示功能需求的信息(程序)*計(jì)算機(jī)的功能：*計(jì)算機(jī)的目標(biāo)：--比爾·蓋茨

通信工具、創(chuàng)造工具、用戶(hù)可定制工具按位及跳動(dòng)式電腦的由來(lái)算術(shù)+邏輯運(yùn)算6二、計(jì)算機(jī)的軟硬件*使用計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程：解題結(jié)果③③運(yùn)行用戶(hù)輸入設(shè)備輸出設(shè)備處理設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備目標(biāo)程序(機(jī)器語(yǔ)言)源程序(高級(jí)語(yǔ)言)①②①編輯②編譯

*計(jì)算機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)方式：

硬件—具備數(shù)據(jù)傳送/處理/存儲(chǔ)、過(guò)程控制功能

軟件—表示用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)處理(含過(guò)程控制)的功能需求└→程序(指令序列)

執(zhí)行軟件—實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)處理(含過(guò)程控制)的功能需求*計(jì)算機(jī)性能的特性：

軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映7三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)直接執(zhí)行機(jī)器指令機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M1用機(jī)器語(yǔ)言編程匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M3用匯編語(yǔ)言編程用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M4用高級(jí)語(yǔ)言編程用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序或機(jī)器語(yǔ)言程序操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器M2使用OS命令操作用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)命令

微程序級(jí)機(jī)器M0用微指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用微程序解釋機(jī)器指令直接執(zhí)行微指令虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器*層次結(jié)構(gòu)的概念：不同層次程序員所看到的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)*層次結(jié)構(gòu)的發(fā)展：層次增多，軟/硬交界面上移機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M1

微程序級(jí)機(jī)器M0硬件軟件匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M3高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M4操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器M2軟硬件交界面8四、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與組成*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Architecture)：

機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性(概念性結(jié)構(gòu)和功能特性)數(shù)字電路級(jí)機(jī)器*計(jì)算機(jī)組成(Organization)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)

(計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)人員所看到的計(jì)算機(jī)屬性

)指令功能邏輯實(shí)現(xiàn)、部件組成、控制機(jī)構(gòu)、排隊(duì)及緩沖技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等*計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(implementation)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)ISA(InstructionSetArchitecture)指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式,存儲(chǔ)系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)、信息保護(hù)等*相互關(guān)系：硬件功能確定-邏輯實(shí)現(xiàn)-物理實(shí)現(xiàn)9§1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計(jì)算機(jī)*結(jié)構(gòu)與組成：

由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備組成*數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：

指令及數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制方式表示，運(yùn)算亦采用二進(jìn)制方式

特征—以運(yùn)算器為中心→運(yùn)算與I/O串行(性能差)輸入設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備注：數(shù)據(jù)信息指令信息控制信息狀態(tài)信息10*存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：（指令與數(shù)據(jù)以等同地位存放）

由定長(zhǎng)單元構(gòu)成的一維空間，按地址訪(fǎng)問(wèn)*指令組成：

由操作碼及地址碼組成表示操作的性質(zhì)表示操作數(shù)在MEM中的位置操作碼

地址碼1地址碼2

例：若ADD運(yùn)算的操作碼用010表示，01000#與10000#兩個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)容相加的指令可表示為：010010001000001…2n-1……單元長(zhǎng)度w存儲(chǔ)字地址空間n11*存儲(chǔ)程序工作方式：

程序存儲(chǔ)—指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中

程序控制—按程序邏輯順序，自動(dòng)、逐條取出并執(zhí)行指令存儲(chǔ)單元地址順序表示：指令地址順序類(lèi)型：順序/轉(zhuǎn)移為什么？為什么？取出指令執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行過(guò)程循環(huán)地指令地址當(dāng)前下條循環(huán)處理(循環(huán)變量)＋“1”轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)順序執(zhí)行時(shí)地址形成下條指令地址由當(dāng)前指令產(chǎn)生指令地址指令內(nèi)容(存儲(chǔ)器中)A+0

int

nCnt=0；A+1intnSum=0；A+2LP:nSum+=nCnt；A+3

nCnt++；A+4if(nCnt<3)

gotoLP；A+5COUT>>nSum；邏輯順序⑴⑵⑶⑹⑼⑷⑺⑽⑸⑻⑾⑿12二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成9技術(shù)⑵：DMA技術(shù)(直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn))1、計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)幾乎均在馮·諾依曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)*采用以存儲(chǔ)器為中心的結(jié)構(gòu)：可使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備結(jié)果程序/數(shù)據(jù)控制器運(yùn)算器技術(shù)⑴：緩沖技術(shù)緩沖器緩沖器13*采用多種存儲(chǔ)器構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)：解決速度-容量-價(jià)格間的矛盾，有利于提高性能/價(jià)格主存(內(nèi)存)輔存(外存)計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU主機(jī)I/O設(shè)備(外設(shè))I/O設(shè)備(包括輔存)主存儲(chǔ)器MM控制單元CUCPU算術(shù)邏輯單元ALU主機(jī)14*采用總線(xiàn)方式的互連結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)部件操作標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性CPU主存I/O接口1…系統(tǒng)總線(xiàn)I/O設(shè)備1I/O接口nI/O設(shè)備n非標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)準(zhǔn)格式(按地址訪(fǎng)問(wèn))(IN/OUT操作)min{所連I/O接口(設(shè)備)速度}(按地址訪(fǎng)問(wèn))(讀/寫(xiě)操作)

總線(xiàn)組成—地址線(xiàn)(ABus)、數(shù)據(jù)線(xiàn)(DBus)、命令線(xiàn)(CBus)152、計(jì)算機(jī)部件的基本組成(1)存儲(chǔ)器*功能：存儲(chǔ)信息(指令和數(shù)據(jù))，支持按地址訪(fǎng)問(wèn)*組成：*術(shù)語(yǔ)：存儲(chǔ)元、存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)陣列，存儲(chǔ)單元地址、存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度(存儲(chǔ)字長(zhǎng))，地址……存儲(chǔ)陣列I/O電路地址譯碼器……數(shù)據(jù)命令wn01…2n-1……存儲(chǔ)字長(zhǎng)w存儲(chǔ)字抽象

存儲(chǔ)器容量＝2n×w

位(bit)………………012n-1w-1

…

1

0…一維排列示例16*訪(fǎng)問(wèn)操作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：讀操作—①接收地址及命令，內(nèi)部操作②輸出數(shù)據(jù)…I/O電路地址譯碼器…………①0…01①Read地址譯碼器I/O電路②1#的存儲(chǔ)字

寫(xiě)操作—①接收地址及命令②接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作17(2)運(yùn)算器*功能：實(shí)現(xiàn)算術(shù)及邏輯運(yùn)算、暫存運(yùn)算結(jié)果*組成：△約定：(X)表示寄存器X中內(nèi)容，[Y]表示存儲(chǔ)單元Y中內(nèi)容OPMEMALU累加器型運(yùn)算器AC常用寄存器實(shí)現(xiàn)OPALU寄存器型運(yùn)算器寄存器組(文件)MEMALU寄存器組(文件)ABF*(R0)+(R1)→R2的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：(1)(R0)→ALU_A、保持(2)(R1)→ALU_B、保持(3)ALU_A+ALU_B、保持(4)ALU_F→R2AddALU18(3)控制器*功能：控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過(guò)程

*程序執(zhí)行過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方案：

理論方案—指令執(zhí)行過(guò)程與循環(huán)處理串行

(循環(huán)變量放在指令地址寄存器PC中)11取指令分析指令執(zhí)行指令循環(huán)處理指令地址寄存器PC存儲(chǔ)器指令內(nèi)容寄存器IR指令譯碼器ID功能部件+“1”地址形成部件轉(zhuǎn)移產(chǎn)生時(shí)19

實(shí)際方案—指令執(zhí)行過(guò)程與循環(huán)處理重疊取指令分析指令執(zhí)行指令PC＋“1”計(jì)算及重置PC

注：順序型指令—執(zhí)行階段不再使用PC，可提前＋“1”

轉(zhuǎn)移型指令—執(zhí)行階段無(wú)數(shù)據(jù)操作，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算及重置PC取指時(shí)均進(jìn)行轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)進(jìn)行指令地址寄存器PC存儲(chǔ)器指令內(nèi)容寄存器IR指令譯碼器ID功能部件+“1”地址形成部件轉(zhuǎn)移產(chǎn)生時(shí)20*組成：時(shí)序部件、控制信號(hào)形成部件等*程序執(zhí)行過(guò)程的控制需求：①具有多個(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)(周期性)，以區(qū)分不同時(shí)段②適時(shí)產(chǎn)生當(dāng)前指令功能對(duì)應(yīng)的部件控制信號(hào)指令寄存器IR…程序計(jì)數(shù)器PC指令譯碼器ID控制信號(hào)形成部件時(shí)序部件控制器…取指時(shí)標(biāo)信號(hào)例分析執(zhí)行t指令周期指令周期讀MEM控制信號(hào)例寫(xiě)IR部件OP

ADD

SUB21(4)輸入/輸出設(shè)備*功能：實(shí)現(xiàn)信息的I/O及格式轉(zhuǎn)換*種類(lèi)：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤(pán)等*連接：通過(guò)I/O接口(又稱(chēng)適配器或控制器)與總線(xiàn)連接，

I/O接口實(shí)現(xiàn)信息的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能主存…系統(tǒng)總線(xiàn)主存控制器CPU用戶(hù)交互接口鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等顯示適配器顯示器硬盤(pán)控制器硬盤(pán)總線(xiàn)接口BIU*總線(xiàn)基本組成：

地址線(xiàn)(ABus)、數(shù)據(jù)線(xiàn)(DBus)、控制/狀態(tài)線(xiàn)(CBus)按地址訪(fǎng)問(wèn)(IN/OUT操作)22三、計(jì)算機(jī)軟件的基本組成1、計(jì)算機(jī)軟件分類(lèi)軟件分為系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件兩大類(lèi)語(yǔ)言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)服務(wù)性程序網(wǎng)絡(luò)管理程序操作系統(tǒng)科學(xué)計(jì)算信息管理自動(dòng)控制人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)際機(jī)器軟硬件交界面系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件虛擬機(jī)器應(yīng)用語(yǔ)言環(huán)境高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境匯編語(yǔ)言環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序操作系統(tǒng)命令串232、操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)*主要功能：

(管理所有軟硬件資源)

文件管理、作業(yè)管理、進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理輔存←→程序硬件管理(面向軟件)

程序執(zhí)行請(qǐng)求―→進(jìn)程進(jìn)程調(diào)度與控制*進(jìn)程的調(diào)度與切換：調(diào)度—在特定時(shí)刻、按照一定算法選擇即將運(yùn)行的進(jìn)程切換—實(shí)現(xiàn)上行/下行進(jìn)程軟硬件環(huán)境的保存/恢復(fù)CPU時(shí)間OS進(jìn)程進(jìn)程1進(jìn)程2進(jìn)程3OS進(jìn)程1進(jìn)程2進(jìn)程3進(jìn)程1OSOSOSOS時(shí)間片滿(mǎn)、I/O請(qǐng)求等發(fā)生優(yōu)先級(jí)、輪轉(zhuǎn)等算法24172016四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程1、計(jì)算機(jī)硬件基本組成PC→MARMAR→ABus、Read→CBus、MEM[MAR]→MDRMDR→IR時(shí)間CPUAddrDataCmd…控制信號(hào)形成部件時(shí)序部件ID+“1”ACALUIRPC…MARMDR數(shù)據(jù)通路(如總線(xiàn)結(jié)構(gòu))系統(tǒng)總線(xiàn)(ABus、DBus、CBus)I/O設(shè)備(含磁盤(pán))I/O接口……存儲(chǔ)陣列I/O電路地址譯碼器…主存儲(chǔ)器*MAR/MDR的作用：訪(fǎng)存操作與內(nèi)部操作可并行(提高性能)不影響數(shù)據(jù)通路及相關(guān)部件的使用[例如(PC)+“1”→PC]25指令類(lèi)型指令格式操作碼OP地址碼ADDR取數(shù)001maddr存數(shù)010maddr加法011maddr停機(jī)100空閑2、機(jī)器語(yǔ)言程序的形成*模型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)：示例*y=x+b的機(jī)器語(yǔ)言程序形成：可用高級(jí)語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言編程MEM地址指令或數(shù)據(jù)注釋000100100

AC←x(00100單元)101100101AC←(AC)＋b(00101單元)201000110y←(AC)3100*****

停機(jī)4x

原始數(shù)據(jù)x(馮氏模型要求)5b

原始數(shù)據(jù)b6y

結(jié)果數(shù)據(jù)y指令(操作)功能AC←[maddr]，取maddr單元內(nèi)容到AC中maddr←(AC)，AC內(nèi)容存到maddr單元中AC←(AC)＋[maddr]，相加程序執(zhí)行結(jié)束261824(1)指令執(zhí)行過(guò)程*取數(shù)指令執(zhí)行過(guò)程的操作序列：以AC←[X]為例3、計(jì)算機(jī)硬件的工作過(guò)程PC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC過(guò)程*加法指令執(zhí)行過(guò)程的操作序列：以AC←(AC)+[Y]為例X主存MARMDRACALU…控制信號(hào)形成時(shí)序部件PCIRIDCU+“1”……主存MARMDRACALU…控制信號(hào)形成時(shí)序部件PCIRIDCU+“1”……YPC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→ACAC→ALU2718(2)程序執(zhí)行過(guò)程

*程序執(zhí)行過(guò)程的操作序列：─控制器實(shí)現(xiàn)①取指—(PC)→MEM→IR，(PC)＋“1”→PC

②分析—(IR)→ID→CU

③執(zhí)行—指令約定操作(轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)重寫(xiě)PC)，轉(zhuǎn)①*程序執(zhí)行的初始條件：

①程序及數(shù)據(jù)--已存放在主存(MEM)中

②PC內(nèi)容—已設(shè)置為程序首條指令地址功能部件地址形成部件功能部件PC主存儲(chǔ)器MEMID+“1”IR轉(zhuǎn)移型順序型下條指令地址當(dāng)前指令地址當(dāng)前指令內(nèi)容轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)28

例—說(shuō)明y=x+b的機(jī)器語(yǔ)言程序執(zhí)行過(guò)程:設(shè)(PC)=000002500100100011001010100011010000000AC←[x]AC←(AC)+[b][y]←(AC)停機(jī)00000000010001000011指令地址指令內(nèi)容指令功能

程序執(zhí)行過(guò)程：循環(huán)的指令執(zhí)行過(guò)程←各REG值不斷變化AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ACPC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→ID

+1→PCOP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→ACAC→ALUPC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCOP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(W)AC→MDR→MEMPC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCOP(IR)→ID→(STOP)PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCMEMMARMDRACALUPCIRID+“1”…29§1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、性能指標(biāo)*系統(tǒng)性能：指在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟件的性能1、硬件性能參數(shù)*機(jī)器字長(zhǎng)：指CPU一次能處理(數(shù)據(jù))的二進(jìn)制位數(shù)字長(zhǎng)單位—二進(jìn)制位(bit)n位CPU—指機(jī)器字長(zhǎng)為n個(gè)二進(jìn)制位的CPU(Intel8086是16位CPU，Core2Duo是64位CPU)對(duì)硬件的影響—決定了ALU、數(shù)據(jù)REG、數(shù)據(jù)通路的長(zhǎng)度特指ALU(歷史原因)30*機(jī)器主頻：指CPU內(nèi)部主時(shí)鐘的脈沖頻率，常用f

表示頻率單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz*主存容量：常指CPU可訪(fǎng)問(wèn)的主存空間大小容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit

主時(shí)鐘周期—CPU主時(shí)鐘脈沖長(zhǎng)度，常用TC表示(TC

=1/f

)

常簡(jiǎn)稱(chēng)為“時(shí)鐘周期”非標(biāo)準(zhǔn)叫法容量種類(lèi)—CPU可尋址空間(最大主存容量)、主存容量主存單元個(gè)數(shù)bw-1…b0………CPU可尋址空間主存單元長(zhǎng)度0…00…0

0…01…10…10…0

1…11…1主存地址位數(shù)An-1

…A0……

……

…312、系統(tǒng)性能指標(biāo)

特點(diǎn)—反映了單任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件總體性能CPU時(shí)間—TCPU＝IN×CPI×TC＝

IN

—程序執(zhí)行的指令數(shù)(≠程序代碼的指令數(shù))，CPI(CyclesPerInstruction)—指令執(zhí)行所需的TC個(gè)數(shù)(平均值),TC—CPU主時(shí)鐘周期(=1/f)；n

—指令系統(tǒng)的指令種類(lèi)數(shù)，CPIi—第i

種指令的CPI，

Ii—程序中第i

種指令的執(zhí)行次數(shù)TCPU與程序算法、編譯程序、指令系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成均相關(guān)*響應(yīng)時(shí)間：指一個(gè)任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時(shí)間

即T響應(yīng)＝TCPU＋TI/O等待，TI/O等待＝T輔存→MEM

系統(tǒng)優(yōu)化—TI/O等待期間CPU執(zhí)行其它程序

→多任務(wù)系統(tǒng)浪費(fèi)性能、不易測(cè)評(píng)表示方法—CPU時(shí)間(TCPU)32

例1—某計(jì)算機(jī)主頻為2GHz，指令系統(tǒng)有2類(lèi)(Ⅰ類(lèi)及Ⅱ類(lèi))指令，指令長(zhǎng)度均為2B(Byte)，指令執(zhí)行時(shí)間分別為5個(gè)和8個(gè)主時(shí)鐘周期。程序A執(zhí)行時(shí)，Ⅰ類(lèi)指令執(zhí)行了3*105條，Ⅱ類(lèi)指令執(zhí)行了7*105條。求程序A執(zhí)行的CPU時(shí)間。

解：TCPU＝(3*105×5＋7*105×8)÷(2×109)＝3.55ms30

例2—計(jì)算機(jī)同例1。程序B大小為2MB，其中30%為Ⅰ類(lèi)指令；程序A執(zhí)行時(shí)，有10%的Ⅰ類(lèi)指令和20%的Ⅱ類(lèi)指令各執(zhí)行了30次，其余指令均只執(zhí)行了1次。求程序B執(zhí)行所需的主時(shí)鐘周期數(shù)。

解：指令數(shù)—Ⅰ類(lèi)＝0.3*220條，Ⅱ類(lèi)＝0.7*220條；

執(zhí)行指令數(shù)—Ⅰ類(lèi)＝0.3*220×(10%×30＋90%)＝1.17*220條，Ⅱ類(lèi)＝0.7*220×(20%×30＋80%)＝4.76*220條；

主時(shí)鐘周期數(shù)＝(1.17*220×5＋4.76*220×8)＝43.93×220個(gè)33

例3—計(jì)算機(jī)M1主頻為2GHz，程序A在M1上運(yùn)行時(shí)間為10s。計(jì)算機(jī)M2與M1具有相同的ISA(InstructionSetArchitecture)，M2主頻高于M1、平均CPI大于M1。若程序A在M2上運(yùn)行所需時(shí)鐘周期數(shù)為在M1上的1.5倍，欲使程序A在M2上運(yùn)行時(shí)間為6s，則M2的主頻至少為多少？

解：設(shè)程序A在M1、M2上運(yùn)行所需時(shí)鐘周期數(shù)各為N1、N2則TCPUM1＝N1×TC，N1＝TCPU÷TC＝10s×2GHz＝20G個(gè)則N2＝1.5×N1＝1.5×20G＝30G個(gè)

由題意TCPUM2＝N2×TC’

≤6s則f

’＝1/TC’＝N2÷TCPUM2≥30G/6s＝5GHz

分析—∵f

’/f＝5/2＝2.5，TCPUM1/TCPUM2＝10/6＝1.67∴主頻只是影響系統(tǒng)性能的因素之一3134

特點(diǎn)—反映了多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件總體性能△MIPS(每秒百萬(wàn)次指令)

缺點(diǎn)：不能反映指令功能強(qiáng)弱(可用相對(duì)MIPS法)

表示—常用MIPS及MFLOPS代替(∵工作量定義未能統(tǒng)一)*吞吐量(吞吐率)：指單位時(shí)間內(nèi)能處理的工作量即TP＝n個(gè)任務(wù)總工作量÷n個(gè)任務(wù)總時(shí)間

△MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算)

缺點(diǎn)：不能反映系統(tǒng)整體性能(只反映浮點(diǎn)操作能力)*其他指標(biāo)：RAS(可靠性/可用性/可維護(hù))，兼容性等31通常T總

≠

∑TCPUi35二、性能設(shè)計(jì)1、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的性能瓶頸*CPU-MEM訪(fǎng)問(wèn)瓶頸：訪(fǎng)問(wèn)頻率高、用邏輯地址訪(fǎng)問(wèn)其它因素—MEM速度與CPU差距較大(受限于S-V-C需求矛盾)

解決方案—需從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面解決速度匹配問(wèn)題*指令串行執(zhí)行瓶頸：無(wú)法并行化，導(dǎo)致性能受限解決方案1—快速串行處理，受限于器件技術(shù)，需從器件技術(shù)方面提高性能←效果有限解決方案2—并行處理，受限于指令間的相關(guān)性，需從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面解決問(wèn)題←主流方向362、性能平衡設(shè)計(jì)─解決CPU-MEM訪(fǎng)問(wèn)瓶頸目標(biāo)—減少訪(fǎng)存延遲，提高訪(fǎng)存效率*增設(shè)Cache：提高訪(fǎng)存速度，減少訪(fǎng)問(wèn)主存次數(shù)*改進(jìn)總線(xiàn)：增加總線(xiàn)寬度，采用多級(jí)總線(xiàn)*優(yōu)化地址變換：在CPU中進(jìn)行變換，變換/訪(fǎng)問(wèn)并行3、CPU性能設(shè)計(jì)─解決指令串行執(zhí)行瓶頸目標(biāo)—提高并行性，減少串行損失*開(kāi)發(fā)并行技術(shù)：操作級(jí)流水→操作級(jí)并行→指令級(jí)并行*采用數(shù)據(jù)流技術(shù)：按序執(zhí)行→亂序執(zhí)行*使用分支預(yù)測(cè)技術(shù)：按預(yù)測(cè)方向執(zhí)行，猜錯(cuò)時(shí)再回頭執(zhí)行1214

作業(yè)：P22—4、6、7、937§1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件電子管晶體管SSI、MSILSI、VLSIULSI主存磁心半導(dǎo)體輔存紙帶、磁帶磁盤(pán)光盤(pán)字長(zhǎng)4/88/16/3232/64速度(次/s)40,000200,0001,000,00010,000,000100,000,0001、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展*發(fā)展趨勢(shì)：向大型機(jī)、微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展*研究重點(diǎn)：器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)382、微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展微處理器字長(zhǎng)主頻MEM地址其他年代80808實(shí)模式19748086164.77MHz20位19788088164.77MHz20位197980286166MHz24位保護(hù)模式1982803863212.5MHz32位虛擬8086模式、虛擬存儲(chǔ)器、Cache1985804863225MHz32位RISC、流水線(xiàn)1989