計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述目錄1、1計(jì)算機(jī)得發(fā)展1、2計(jì)算機(jī)得硬件組成1、3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得層次結(jié)構(gòu)1、4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得發(fā)展本章小結(jié)第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論學(xué)習(xí)目得:1、掌握馮、諾依曼計(jì)算機(jī)模型得思想、馮氏計(jì)算機(jī)得硬件組成與基本功能;2、掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得層次結(jié)構(gòu),從軟件、硬件兩方面描述;3、掌握電子計(jì)算機(jī)得發(fā)展歷程;4、掌握計(jì)算機(jī)性能指標(biāo):CPU時(shí)鐘周期,主頻,CPI,CPU執(zhí)行時(shí)間;MIPS,MFLOPS;5、了解計(jì)算機(jī)得工作過程;What?

計(jì)算機(jī)得產(chǎn)生1945年,美國(guó)數(shù)學(xué)家馮、諾依曼博士發(fā)表《電子計(jì)算工具邏輯設(shè)計(jì)》論文,提出二進(jìn)制表達(dá)方式與存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)構(gòu)想。1946年,美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC。重30噸,耗電150kW,占地170平米,用電子管18800個(gè),每秒5000次加法。1、1計(jì)算機(jī)得發(fā)展1、1計(jì)算機(jī)得發(fā)展從使用器件得角度來(lái)說,計(jì)算機(jī)得發(fā)展到目前為止大致經(jīng)歷了5代得變化:第1代為1946年開始得電子管計(jì)算機(jī)第2代為1958年開始得晶體管計(jì)算機(jī)第3代為1964年開始得中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)第4代為1972年開始得大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)第5代為1986年開始得巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)？？量子？生物？智能？第一代電子管計(jì)算機(jī)—IBM709大型機(jī)第二代晶體管計(jì)算機(jī)——IBM7094第三代計(jì)算機(jī)——IBM360大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜第四代計(jì)算機(jī)——IBM370第五代巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(天河一號(hào))1、2計(jì)算機(jī)得硬件組成1、2、1計(jì)算機(jī)得硬件框圖1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)1、2、1計(jì)算機(jī)得硬件框圖馮·諾依曼計(jì)算機(jī)得特點(diǎn)就是:程序以二進(jìn)制代碼得形式存放在存儲(chǔ)器中;所有得指令都就是由操作碼與地址碼組成;指令在其存儲(chǔ)過程中按照?qǐng)?zhí)行得順序;以運(yùn)算器作為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)得中心等。圖1.1馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖圖中：實(shí)線為數(shù)據(jù)線,虛線為控制線和反饋線。1、2、1計(jì)算機(jī)得硬件框圖圖1.2以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖圖中：實(shí)線為控制線,

虛線為反饋線,

空心箭頭線為數(shù)據(jù)線。輸入設(shè)備控制器存儲(chǔ)器運(yùn)算器輸出設(shè)備各部件得功能:運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算,并將運(yùn)算得中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)。存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)與程序?？刂破饔脕?lái)控制、指揮程序與數(shù)據(jù)得輸入、運(yùn)行以及處理運(yùn)算結(jié)果。輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉得信息形式轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別得信息形式,常見得有鍵盤、鼠標(biāo)等。輸出設(shè)備可將計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉得信息形式,如打印機(jī)、顯示器等。1、2、1計(jì)算機(jī)得硬件框圖圖1.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成框圖CPU——“中央處理器”得簡(jiǎn)稱,由運(yùn)算器與控制器組成。I/O設(shè)備——“輸入設(shè)備與輸出設(shè)備”得簡(jiǎn)稱。CPU與主存儲(chǔ)器MM合起來(lái)又可稱為主機(jī);I/O設(shè)備可稱為外部設(shè)備。ALU——算術(shù)邏輯運(yùn)算單元,用來(lái)完成算術(shù)邏輯運(yùn)算。CU——控制單元,用來(lái)解釋存儲(chǔ)器中得指令,并發(fā)出各種操作命令來(lái)執(zhí)行指令。1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)1)機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)就是指計(jì)算機(jī)中CPU能進(jìn)行多少位二進(jìn)制數(shù)得并行運(yùn)算,實(shí)際上就是指該計(jì)算機(jī)中得運(yùn)算器有多少位,通常計(jì)算機(jī)得數(shù)據(jù)總線與寄存器得位數(shù)與機(jī)器字長(zhǎng)一致。機(jī)器字長(zhǎng)越長(zhǎng),數(shù)得表示范圍就越大,精度也越高。機(jī)器得字長(zhǎng)也會(huì)影響機(jī)器得運(yùn)算速度,對(duì)硬件得造價(jià)也有較大影響。衡量機(jī)器字長(zhǎng)得單位可用“位(bit)”,位就是計(jì)算機(jī)內(nèi)最小得信息單位,8位構(gòu)成1個(gè)“字節(jié)(byte)”。字長(zhǎng)得長(zhǎng)度就是不固定得,對(duì)于不同得CPU,字長(zhǎng)得長(zhǎng)度也不一樣。1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)2)主頻又稱主時(shí)鐘頻率,CPU工作得節(jié)拍就是由主時(shí)鐘控制得。主時(shí)鐘不斷地產(chǎn)生固定頻率得時(shí)鐘脈沖,時(shí)鐘脈沖得頻率就就是CPU得主頻率。主頻率越高,CPU得工作節(jié)拍越快,就是影響機(jī)器運(yùn)算速度得重要參數(shù)。1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)3)存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量得大小不僅影響著存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)得多少,而且也影響著運(yùn)行這些程序得速度。主存用以直接與CPU交換信息,主存容量大,機(jī)器得運(yùn)行速度就快。主存容量就是指主存中存放二進(jìn)制代碼得總數(shù),即:存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中常以字節(jié)(byte)得個(gè)數(shù)來(lái)描述容量得大小。緩存大小也就是CPU得重要指標(biāo)之一。1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)4)運(yùn)算速度

(1)CPU執(zhí)行時(shí)間CPU執(zhí)行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/頻率或CPU執(zhí)行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期長(zhǎng)度1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)4)運(yùn)算速度

(2)平均運(yùn)行時(shí)鐘周期數(shù)CPI

CPI=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/指令條數(shù)IC由此可得CPU執(zhí)行時(shí)間得另一表達(dá)式:

CPU執(zhí)行時(shí)間=CPI×IC×?xí)r鐘周期長(zhǎng)度

CPU性能公式計(jì)算1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)若一個(gè)計(jì)算機(jī)指令集包含N條指令,其中指令i得執(zhí)行時(shí)間為,且出現(xiàn)次數(shù)為,則該程序執(zhí)行時(shí)間為:

整段程序得指令平均運(yùn)行時(shí)鐘周期數(shù)為:

其中,為指令i在程序中出現(xiàn)得頻率,稱為指令i得使用頻度。

例題例1、1用一臺(tái)時(shí)鐘頻率為400MHz得處理機(jī)執(zhí)行如表1、2所示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序,程序中包含得各種指令條數(shù)及各指令得平均時(shí)鐘周期數(shù)如表1、2所示。求測(cè)試程序得執(zhí)行時(shí)間及CPI。解答程序得總指令條數(shù)為:指令得平均時(shí)鐘周期數(shù)為:測(cè)試程序得執(zhí)行時(shí)間為:1、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)4)運(yùn)算速度

(3)MIPS與MFLOPSMIPS(Million

Instructions

Per

Second)表示每秒百萬(wàn)條指令數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定得程序,它得MIPS為:

MIPS=程序指令條數(shù)/(程序執(zhí)行時(shí)間*10^6)=時(shí)鐘頻率/(CPI*10^6)

則程序執(zhí)行時(shí)間Te為:

Te=指令條數(shù)/MIPS*10^61、2、2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得主要技術(shù)指標(biāo)

4)運(yùn)算速度

MFLOPS(Million

FLoating-point

Operations

Per

Second)表示每秒百萬(wàn)條浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定得程序,它得MFLOPS為:MFLOPS=程序浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)/(程序執(zhí)行時(shí)間*10^6)

MIPS與MFLOPS就是單位時(shí)間內(nèi)得執(zhí)行次數(shù),所以機(jī)器越快,其MIPS與MFLOPS越高。1、3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得層次結(jié)構(gòu)1、3、1計(jì)算機(jī)硬件1、3、2計(jì)算機(jī)軟件1、3、3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1、3、4計(jì)算機(jī)工作過程1、3、5計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得關(guān)系1、3、1計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)硬件(puter

Hardware)就是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械與光電元件等組成得各種物理裝置得總稱。

計(jì)算機(jī)硬件得功能就是輸入并存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù),以及執(zhí)行程序把數(shù)據(jù)加工成可以利用得形式。1、3、1計(jì)算機(jī)硬件從外觀上來(lái)瞧,計(jì)算機(jī)由主機(jī)箱與外部設(shè)備組成。

主機(jī)箱包括CPU、內(nèi)存、主板、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、各種擴(kuò)展卡、連接線、電源等;

外部設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、音箱等,這些設(shè)備通過接口與連接線與主機(jī)相連。1、3、2計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件(puterSoftware)就是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得程序與文檔。

程序就是計(jì)算任務(wù)得處理對(duì)象與處理規(guī)則得描述;

文檔就是為了便于了解程序所需得闡明性資料。程序必須裝入機(jī)器內(nèi)部才能工作,文檔一般就是給人瞧得,不一定裝入機(jī)器。

計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類:系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件1、3、2計(jì)算機(jī)軟件

系統(tǒng)軟件用來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化使用方法、提高計(jì)算機(jī)得使用效率、發(fā)揮與擴(kuò)大計(jì)算機(jī)得功能及用途。它包括以下4類:①各種服務(wù)性程序,如診斷程序、排錯(cuò)程序等;②語(yǔ)言程序,如匯編程序、編譯程序、解釋程序等;③操作系統(tǒng);④數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。1、3、2計(jì)算機(jī)軟件

應(yīng)用軟件就是用戶利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決某些問題而編制得程序。如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等。

必須指出得就是系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件之間沒有一個(gè)很嚴(yán)格得界限。1、3、3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能可以劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu),如下圖所示。(下層為上層服務(wù),下層得“透明性”)1、3、4計(jì)算機(jī)工作過程用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題,通常包含兩大過程:一個(gè)就是上機(jī)前得各種準(zhǔn)備,包括建立數(shù)學(xué)模型、確定計(jì)算方法、編制解題程序等;另一個(gè)就是上機(jī)運(yùn)行?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)得特點(diǎn)就是預(yù)先把程序與原始數(shù)據(jù)保存到機(jī)器中,然后由機(jī)器把程序中得指令逐條取出加以執(zhí)行,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。為了較形象地了解計(jì)算機(jī)得解題過程,將圖1、3細(xì)化,得到如圖1、5所示得計(jì)算機(jī)組成框圖。圖1.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成框圖1、3、4計(jì)算機(jī)工作過程1、主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱主存或內(nèi)存)包括存儲(chǔ)體、各種邏輯部件及控制電路等。一個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一串二進(jìn)制代碼,稱這串二進(jìn)制代碼為一個(gè)存儲(chǔ)字,這串二進(jìn)制代碼得個(gè)數(shù)稱為存儲(chǔ)字長(zhǎng)。主存得工作方式為按地址存取,即按地址訪問存儲(chǔ)器。為了能實(shí)現(xiàn)按地址訪問得方式,主存中還必須配置2個(gè)寄存器MAR與MDR。存儲(chǔ)體由若干存儲(chǔ)單元組成,每個(gè)存儲(chǔ)單元包含若干個(gè)存儲(chǔ)元件(或稱存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)元),每個(gè)存儲(chǔ)元件能寄存1位二進(jìn)制代碼“0”或“1”。存儲(chǔ)單元的地址，即存儲(chǔ)單元的編號(hào)。地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器1、3、4計(jì)算機(jī)工作過程2、控制器控制器就是計(jì)算機(jī)組成得神經(jīng)中樞,由它指揮全機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地工作。即,

取指過程——>分析指令過程——>執(zhí)行指令過程控制器由程序計(jì)數(shù)器PC(ProgramCounter)、指令寄存器IR(InstructionRegister)以及控制單元CU(ControlUnit)幾部分組成。命令存儲(chǔ)器讀出一條指令對(duì)取出得這條指令進(jìn)行分析,指出該指令要完成什么樣得操作,并按尋址特征指明操作數(shù)得地址根據(jù)操作數(shù)所在得地址,取出操作數(shù)并完成某種操作1、3、4計(jì)算機(jī)工作過程3、運(yùn)算器運(yùn)算器包括3個(gè)寄存器(ACC、MQ與X,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)內(nèi)部往往設(shè)有通用寄存器組)與1個(gè)算術(shù)邏輯單元(ALU)。

表1、3列出了寄存器存放不同類別操作數(shù)得情況。4、I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng)包括各種外部設(shè)備及相應(yīng)得接口。每種設(shè)備都由I/O接口與主機(jī)聯(lián)系,它接受控制單元CU發(fā)出得各種控制命令,完成相應(yīng)得操作。圖1、5細(xì)化得計(jì)算機(jī)組成框圖1、3、5計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得關(guān)系計(jì)算機(jī)組成(puterOrganization)也稱計(jì)算機(jī)組織,就是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得得物理實(shí)現(xiàn),包括物理機(jī)器級(jí)內(nèi)得數(shù)據(jù)流與控制流得組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。它著眼于物理機(jī)器級(jí)內(nèi)各事件得排序與控制方式、各部件得功能以及各部件得聯(lián)系。計(jì)算機(jī)組成研究得范圍包括確定數(shù)據(jù)通路得寬度、確定各種操作對(duì)功能部件得共享程度、確定專用得功能部件、確定功能部件得并行度、設(shè)計(jì)緩沖與排隊(duì)策略、設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)與確定采用何種可靠技術(shù)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(puterArchitecture)也譯成“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”。一般而言,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得邏輯實(shí)現(xiàn),包括機(jī)器內(nèi)部數(shù)據(jù)流與控制流得組成以及邏輯設(shè)計(jì)等,其目標(biāo)就是合理地把各種部件、設(shè)備組成計(jì)算機(jī),以實(shí)現(xiàn)特定得系統(tǒng)結(jié)構(gòu),同時(shí)滿足所希望達(dá)到得性價(jià)比。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究得內(nèi)容不但包括計(jì)算機(jī)硬件