第一章 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

本章主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)的工作過程

計(jì)算機(jī)性能計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用

1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——ENIAC1946年美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（通用可編程序）18800電子管，30噸，占地150平方米，功耗150kw速度：5000次十進(jìn)制加法/秒ENIAC的特點(diǎn)：十進(jìn)制表示，程序用插線開關(guān)實(shí)現(xiàn)為了改進(jìn)程序的輸入方式：美國數(shù)學(xué)家馮.諾依曼，提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)構(gòu)想。提出并描述一個(gè)計(jì)算機(jī)模型EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）EDVAC直到1952年才調(diào)試成功馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)硬件組成

輸出設(shè)備輸入設(shè)備

存儲(chǔ)器控制器運(yùn)算器控制流CS數(shù)據(jù)流DS計(jì)算結(jié)果程序和數(shù)據(jù)具備的功能：(1)輸入輸出功能

(2)記憶功能

(3)計(jì)算功能

(4)判斷功能

(5)自我控制功能

計(jì)算機(jī)發(fā)展的幾個(gè)過程1946年開始的第一代電子管計(jì)算機(jī):

計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度一般為每秒幾千次至幾萬次,體積龐大,成本很高,可靠性較低,在此期間,形成了計(jì)算機(jī)的基本體系,確定了程序設(shè)計(jì)的基本方法,數(shù)據(jù)處理機(jī)開始得到應(yīng)用。

1958年開始的第二代晶體管計(jì)算機(jī):

運(yùn)算速度提高到幾萬次至幾十萬次,可靠性提高,體積縮小,成本降低，工業(yè)控制機(jī)開始得到應(yīng)用。1965年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):

可靠性進(jìn)一步提高,體積進(jìn)一步縮小,成本進(jìn)一步下降,運(yùn)算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間,形成機(jī)種多樣化,生產(chǎn)系列化,使用系統(tǒng)化,小型計(jì)算機(jī)開始出現(xiàn)。1972年開始的第四代超大規(guī)模集成電路（VLSI）計(jì)算機(jī):

可靠性更進(jìn)一步提高,體積更進(jìn)一步縮小,成本更進(jìn)一步降低,速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有機(jī)片大規(guī)模集成電路組成的微型機(jī)開始出現(xiàn)。

1991年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路(ULSI)計(jì)算機(jī):

運(yùn)算速度提高到每秒幾億次至上百億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)開始出現(xiàn)。

微處理器的發(fā)展以INTEL為例1971年，4004問世，主頻108KHz，晶體管2300個(gè)，10微米。1978年，8086問世，主頻4.77MHz，晶體管29000個(gè)，3微米。1982年，推出80286，內(nèi)含13.4萬個(gè)晶體管，PC產(chǎn)業(yè)真正開始騰飛。1985年，386問世，主頻16MHz起，晶體管275000個(gè)，1微米。1989年，486問世，主頻25MHz起，晶體管1200000個(gè)，1微米。1993年，Pentium問世，主頻60MHz起，晶體管310萬個(gè)，0.8微米。2000年，Pentium4問世，主頻1.3GHz起，晶體管4200萬個(gè)，0.18微米。2006年發(fā)布酷睿2，晶體管數(shù)量達(dá)到2.91億個(gè)，采用65nm制造工藝。超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500簡介2008年世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排名（2008.11）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeak1DOE/NNSA/LANLRoadrunner/200812960011051456.7UnitedStatesIBM2OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5QC2.3GHz/200815015210591381.4UnitedStatesCrayInc.3NASA/AmesResearchCenter/NASPleiades-XeonQC3.0/2.66GHz/200851200487.01608.83UnitedStatesSGI10上海超級(jí)計(jì)算中心曙光5000A“魔方”/200830720180.6233.47China曙光19中科院網(wǎng)絡(luò)信息中心

深騰7000

/200812216102.8145.97China聯(lián)想2009年世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排名（2009.11）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeak1OakRidgeNationalLaboratoryCrayXT5-HEOpteronSixCore2.6GHz22416217592331UnitedStatesCrayInc.2DOE/NNSA/LANLRoadrunner-PowerXCell8i3.2Ghz12240010421376UnitedStatesIBM5國家超級(jí)計(jì)算天津中心天河一號(hào)

XeonE5540/E5450716805631207中國國防科技大學(xué)19上海超級(jí)計(jì)算中心曙光5000A“魔方”/200830720180.6233.47中國曙光43中科院網(wǎng)絡(luò)信息中心

深騰7000/200812216102.8145.97中國聯(lián)想2010年世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排名（2010.11）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeakPower1NationalSupercomputingCenterinTianjinTianhe-1A-NUDTTHMPP,X56702.93Ghz6C,NVIDIAGPU,FT-10008C/2010186368256647014040ChinaNUDT2DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5-HEOpteron6-core2.6GHz/2009224162175923316951UnitedStatesCrayInc.3NationalSupercomputingCentreinShenzhen(NSCS)Nebulae-DawningTC3600Blade,IntelX5650,NVidiaTeslaC2050GPU/2010120640127129842580ChinaDawning4GSICCenter,TokyoInstituteofTechnologyTSUBAME2.0-HPProLiantSL390sG7Xeon6CX5670,NvidiaGPU,Linux/Windows/201073278119222881399JapanNEC/HP2011年世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排名（2011.06）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeakPower1RIKENAdvancedInstituteforComputationalScience(AICS)Kcomputer,SPARC64VIIIfx2.0GHz,Tofuinterconnect/2011548352816287749898.6JapanFujitsu2國家超級(jí)計(jì)算中心（天津）天河一號(hào)A–THMPP,X56702.93Ghz6C,NVIDIAGPU,FT-10008C/2010186368256647014040China國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)3DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5-HEOpteron6-core2.6GHz/2009224162175923316950.6UnitedStatesCrayInc.4國家超級(jí)計(jì)算中心/site/3131深圳NSCS)星云-DawningTC3600Blade,IntelX5650,NVidiaTeslaC2050GPU/2010120640127129842580China曙光/中科院2012年世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排名（2012.06）TOP500國家分布（2011.6）TOP500國家分布（2012.6）系統(tǒng)供應(yīng)商統(tǒng)計(jì)（2011.6）TOP500超級(jí)計(jì)算機(jī)選用處理器統(tǒng)計(jì)(2011.6)ProcessorFamilyCountShare%RmaxSum(GF)RpeakSum(GF)ProcessorSumPower459.00%627413179453081429248NEC10.20%1224001310721280Sparc20.40%82726008894912560384IntelIA-6451.00%26949831713250416IntelEM64T38076.00%31597252514097613975684AMDx86_646613.20%12351314163706131754992IntelCore10.20%428301111507920Totals500100%58930025.598517994977799242009、2012TOP500使用OS統(tǒng)計(jì)OperatingsystemFamilyCountShare%CountShare%20092012Linux44689.20%46292.40%Unix255.00%244.80%Mixed234.60%112.20%Windows51.00%20.40%BSDBased10.20%10.20%Totals500100%500100%中國超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展簡介１９８３年，“銀河”的億次計(jì)算機(jī)歷經(jīng)５年研制在國防科技大學(xué)誕生。

１９９２年，研制出銀河－Ⅱ通用并行巨型機(jī)，峰值速度達(dá)１０億次/秒。１９９７年，研制成功銀河－Ⅲ百億次并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，峰值性能為每秒１３０億次浮點(diǎn)運(yùn)算。

１９９９年，國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的神威Ｉ計(jì)算機(jī)，峰值運(yùn)算速度達(dá)每秒３８４０億次，在國家氣象中心投入使用。

２００４年，由中科院計(jì)算所、曙光公司、上海超級(jí)計(jì)算中心三方共同研發(fā)制造的曙光４０００Ａ實(shí)現(xiàn)了每秒１０萬億次運(yùn)算速度。

２００８年，“深騰７０００”是國內(nèi)第一個(gè)實(shí)際性能突破每秒百萬億次的異構(gòu)機(jī)群系統(tǒng)，Ｌｉｎｐａｃｋ性能突破每秒１０６．５萬億次。

２００９年１０月２９日，中國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”誕生。計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

1．巨型化

巨型化是指具有高速度、大容量、高吞吐量的計(jì)算機(jī)。

2．微型化

微型化是指采用巨大規(guī)模集成電路組成的體積小、價(jià)格低、功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)主要包括嵌入式計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，嵌入式計(jì)算機(jī)已進(jìn)入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設(shè)備中，同時(shí)也作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)“智能化”。

3．網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成高速信息通道，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)概念。

4．智能化

智能化是指計(jì)算機(jī)模擬人類的智能活動(dòng)，諸如感知、判斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解和圖像識(shí)別等。智能化的發(fā)展將使各種知識(shí)庫及人工智能技術(shù)得到進(jìn)一步普及，人們將用自然語言和機(jī)器對(duì)話。計(jì)算機(jī)將從數(shù)值計(jì)算為主過渡到知識(shí)推理為主，從而使計(jì)算機(jī)進(jìn)入知識(shí)處理階段。

5．多媒體化多媒體化是指計(jì)算機(jī)具有全數(shù)字式、全動(dòng)態(tài)、全屏幕的播放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息的功能，具備控制和傳輸多媒體電子郵件、電視會(huì)議等多種功能。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)解題過程

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的解題過程通常是先由用戶用高級(jí)語言編寫程序（稱作為源程序），然后將它和數(shù)據(jù)一起送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，再由計(jì)算機(jī)將其翻譯成機(jī)器能識(shí)別的機(jī)器語言程序（稱作為目標(biāo)程序），機(jī)器自動(dòng)運(yùn)行該機(jī)器語言程序，并將結(jié)果輸出。

計(jì)算機(jī)用戶程序（源程序）結(jié)果計(jì)算機(jī)翻譯成機(jī)器語言程序運(yùn)行目標(biāo)程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器微指令由硬件直接執(zhí)行用微程序解釋機(jī)器指令應(yīng)用語言程序經(jīng)應(yīng)用程序包翻譯成高級(jí)語言程序包高級(jí)語言程序經(jīng)編譯/解釋程序翻譯成匯編語言程序（或中間語言程序，或是機(jī)器語言語言）匯編語言程序經(jīng)匯編程序包翻譯成機(jī)器語言程序一般用機(jī)器語言程序解釋作業(yè)控制語句等層次結(jié)構(gòu)劃分的好處

有利于理解軟件、硬件和固件在系統(tǒng)中的地位和作用。從系統(tǒng)層次的劃分中，可以看出，微程序機(jī)器級(jí)（M0）、傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)（M1）、操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)（M2）不是為應(yīng)用程序員解題設(shè)計(jì)的，而是為運(yùn)行支持更高層次機(jī)器級(jí)程序所必須的編譯程序和解釋程序而設(shè)計(jì)的，以便能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新的虛擬機(jī)器級(jí)。有利于理解各種語言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑。計(jì)算機(jī)各層次的語言總是通過低一級(jí)的語言翻譯來實(shí)現(xiàn)的，這就說明相鄰機(jī)器級(jí)之間的語義差別不能太大。有利于推動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。例如，可以重新分配軟、硬件的比例，為虛擬機(jī)器的各個(gè)層次提供更多更好的硬件支持，改變硬件及器件快速發(fā)展而軟件卻日益復(fù)雜、開銷過大的狀況?？梢杂糜布凸碳韺?shí)現(xiàn)高級(jí)語言和操作系統(tǒng)而形成高級(jí)語言機(jī)器和操作系統(tǒng)機(jī)器。有利于理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義。把計(jì)算機(jī)按功能劃分成多個(gè)不同的層次結(jié)構(gòu)，從各個(gè)層次的功能劃分和實(shí)現(xiàn)去了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有助于更深入的了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個(gè)詞是Amdahl等人在1964年介紹IBM360時(shí)提出的。他們把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為由程序設(shè)計(jì)者所看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。這實(shí)際上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外特性，按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，不同程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中各級(jí)之間界面的定義及其上下的功能分配。通常所說的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要討論傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即從機(jī)器語言程序員的角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)組成又稱計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。研究的內(nèi)容主要包括機(jī)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。它著眼于機(jī)器內(nèi)各事件的排序方式與控制機(jī)構(gòu)、各部件的功能以及各部件間的聯(lián)系。計(jì)算機(jī)組成的設(shè)計(jì)是按所希望達(dá)到的性能價(jià)格比，最佳、最合理的把各種設(shè)備和部件組成計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)所確定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器適配器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線計(jì)算機(jī)硬件組成1.運(yùn)算器通常由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU，ArithmeticandLogicUnit）、通用寄存器和狀態(tài)字寄存器組成，是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。計(jì)算機(jī)硬件組成

2.控制器控制器是全機(jī)的指揮中心，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作?？刂破鞯闹饕δ苁钱a(chǎn)生計(jì)算機(jī)的全部操作控制信號(hào)，對(duì)取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作過程進(jìn)行控制?？刂破饔沙绦蛴?jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成。

PentiumCPUPentiumIVCPU計(jì)算機(jī)硬件組成

3.存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)為了完成存儲(chǔ)程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，必須具備能存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)以存儲(chǔ)器作為各種信息存儲(chǔ)和交流的中心，存儲(chǔ)器可與CPU、輸入/輸出設(shè)備交換信息，起到存儲(chǔ)、緩沖和傳遞信息的作用。

例：32M4bitSDRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件組成

4.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的作用是將原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序送入計(jì)算機(jī)。常見的輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、數(shù)字照相機(jī)、攝像頭、數(shù)字化儀、話筒等。

5.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的作用是將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為用戶或者設(shè)備所能識(shí)別或者接收的信息形式，如數(shù)字、字母、符號(hào)、文字、圖形、圖像、聲音等。常見的輸出設(shè)備包括顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、揚(yáng)聲器等。常見的磁盤、光盤、磁帶機(jī)等輔助存儲(chǔ)器也是重要的外部設(shè)備，它既可以作為輸入設(shè)備，也可以作為輸出設(shè)備，此外，它還有存儲(chǔ)信息的功能。它們與輸入/輸出設(shè)備一樣，也要通過接口電路或適配器與主機(jī)相連。

6.系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計(jì)算機(jī)在CPU、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)、控制/狀態(tài)等信息的傳送操作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件組成系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)語言處理程序診斷程序各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫。。。MISERPOFFICEOUTLOOK。。。計(jì)算機(jī)硬件與軟件的邏輯等價(jià)性

軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，同一邏輯功能既可以用軟件也可以用硬件或固件實(shí)現(xiàn)。從原理上講，軟件實(shí)現(xiàn)的功能完全可以用硬件或固件完成，同樣，硬件實(shí)現(xiàn)的邏輯功能也可以由軟件的模擬來完成，只是性能、價(jià)格以及實(shí)現(xiàn)的難易程度不同而已。軟、硬件的功能分配比例可以在很寬的范圍內(nèi)變化，這種變化是動(dòng)態(tài)的，軟硬功能分配的比例隨不同時(shí)期以及同一時(shí)期的不同機(jī)器的變化而變化。由于軟、硬件是緊密相關(guān)的，軟硬界面常常是模糊不清的，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)上，有時(shí)候很難分清哪些功能是由硬件完成的，哪些功能是由軟件完成的。在滿足應(yīng)用的前提下，軟硬功能分配比例的確定，主要是看能否充分利用硬件、器件技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)達(dá)到較高的性能價(jià)格比。從目前軟硬件技術(shù)的發(fā)展速度及實(shí)現(xiàn)成本上看，隨著器件技術(shù)的高速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體集成技術(shù)的高速發(fā)展，以前由軟件來實(shí)現(xiàn)的功能，越來越多的由硬件或固件來實(shí)現(xiàn)，總的來說，軟件硬化是目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。1.4計(jì)算機(jī)的工作過程使用計(jì)算機(jī)求解一個(gè)簡單的例子

【例】用計(jì)算機(jī)求解z=x+y，其中x和y為已知數(shù)。

解題步驟為：①將x的值從主存單元取出，存入某一個(gè)寄存器；②將y的值從主存單元取出，存入另一個(gè)寄存器；③將x和y的值相加，運(yùn)算結(jié)果存入寄存器；④將結(jié)果從寄存器取出，存入主存單元z中。將上述解題步驟按照計(jì)算機(jī)的指令格式和指令系統(tǒng)編寫成對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令，就完成了程序的編寫。簡單計(jì)算機(jī)的組成框圖

計(jì)算z=x+y的機(jī)器語言程序操作碼（十六進(jìn)制）地址碼（十六進(jìn)制）功能描述1RXY(XY)→R，將主存地址XY單元中的數(shù)據(jù)取出，存入寄存器R中2RXY(R)→XY，將寄存器R中的數(shù)據(jù)存入主存地址XY的單元中3RST(S)+(T)→R，將寄存器S與T中的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果存入寄存器R中4000停機(jī)，指令代碼為4000主存地址指令或數(shù)據(jù)注釋01110將數(shù)x從主存單元取出，存入寄存器R111211將數(shù)y從主存單元取出，存入寄存器R223012將寄存器R1與R2中的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果存入寄存器R032012將寄存器R0中的數(shù)據(jù)存入主存單元z中44000停機(jī)………100002原始數(shù)據(jù)x110006原始數(shù)據(jù)y12存放結(jié)果z………計(jì)算機(jī)工作的具體過程①啟動(dòng)機(jī)器后，操作控制器發(fā)出控制信號(hào)將程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容（這里設(shè)置的初值為0）送至地址寄存器AR，然后啟動(dòng)對(duì)主存的讀操作，從主存的0地址中讀出一條指令，并將指令代碼“1110”（十六進(jìn)制）送入指令寄存器IR，同時(shí)PC加1，形成下一條指令在主存中的地址。從而完成了第一條指令的取指操作過程。②通過指令譯碼器對(duì)指令寄存器IR中的操作碼“1”（十六進(jìn)制）進(jìn)行分析，識(shí)別出該指令的功能為取數(shù)指令，于是操作控制器發(fā)出操作控制信號(hào)，將指令寄存器IR中的地址碼部分“10”（十六進(jìn)制）送入地址寄存器AR，然后啟動(dòng)對(duì)主存的讀操作，從主存的10（十六進(jìn)制）地址中讀出x的內(nèi)容0002送入通用寄存器R1。從而完成了第一條指令的分析過程和執(zhí)行過程。③重復(fù)①、②的操作過程，由于PC的值在每次取指操作完成時(shí)都進(jìn)行了加1操作，因此計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)地、順序地逐條取出指令、分析指令和執(zhí)行指令，直到執(zhí)行完停機(jī)指令后，機(jī)器便自動(dòng)停機(jī)。1.5計(jì)算機(jī)性能計(jì)算機(jī)性能的衡量尺度

1.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指從用戶向計(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)并獲得它所需要的結(jié)果所花的等待時(shí)間。

2.吞吐率吞吐率是指系統(tǒng)響應(yīng)用戶請(qǐng)求的速率。

3.可擴(kuò)展性如果一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能加以擴(kuò)展以滿足不斷增長的對(duì)性能和功能的要求，或是能夠縮減資源以降低成本，則稱此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。

4.可編程性、可靠性和可用性可編程性主要是指程序設(shè)計(jì)的方便性?？煽啃允侵敢粋€(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能無故障運(yùn)行的可靠程度（指無故障運(yùn)行的工作時(shí)間）。可用性是指一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可正常使用時(shí)間所占的百分比。

5.兼容性6.性能價(jià)格比反映計(jì)算機(jī)性能的參數(shù)

1.主頻通常所說的主頻指的是CPU時(shí)鐘頻率，單位通常為MHz（1M=106）、GHz（1G=109）。

2.機(jī)器字長機(jī)器字長是指運(yùn)算器一次能運(yùn)算的二進(jìn)制數(shù)的最多位數(shù)，它與CPU內(nèi)通用寄存器的位數(shù)、CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度有關(guān)。

3.數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度是指數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

4.運(yùn)算速度通常采用單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，單位為MIPS，即每秒執(zhí)行百萬條指令。也可用平均一條指令執(zhí)行所花的時(shí)鐘周期數(shù)來衡量，單位為CPI。

5.存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是指一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)。存儲(chǔ)容量越大，所能存儲(chǔ)的信息就越多。

性能因子CPI

設(shè)CPU時(shí)鐘周期為，CPU時(shí)鐘周期的倒數(shù)則是CPU的時(shí)鐘頻率。一個(gè)程序在CPU上運(yùn)行所需的時(shí)間可以用下述公式表示：

IN表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)（這里指動(dòng)態(tài)執(zhí)行指令數(shù)），CPI（ClockCyclesPerInstruction）表示執(zhí)行每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)。由此公式可見，程序運(yùn)行的時(shí)間取決于三個(gè)特征：CPU時(shí)鐘周期，每條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)以及程序中總的指令數(shù)。由CPI的含義可得到如下表達(dá)式：

性能因子CPI

在程序執(zhí)行過程中，要用到不同類型的指令，令I(lǐng)i表示第i類指令在程序中的執(zhí)行次數(shù)，CPIi表示執(zhí)行一條第i類指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令種類數(shù)。則有：

因?yàn)镮N是個(gè)常數(shù)，上式可以改寫為：計(jì)算機(jī)性能常用指標(biāo)

MIPS(MillionInstructionsPerSecond，每秒百萬條指令)

這是一個(gè)用來描述計(jì)算機(jī)性能的尺度。對(duì)于一個(gè)給定的程序，MIPS定義為：

由上式可得程序的執(zhí)行時(shí)間TE的表達(dá)式為：

計(jì)算機(jī)性能常用指標(biāo)

【例】已知PentiumⅡ450處理機(jī)在運(yùn)行某一測試程序時(shí)所獲得的性能為0.5CPI，試計(jì)算PentiumⅡ450處理機(jī)在運(yùn)行該程序時(shí)所獲得的MIPS速率?！窘狻浚河捎赑entiumⅡ450處理機(jī)=450MHz，因此，由公式可求出：即PentiumⅡ450處理機(jī)在運(yùn)行該程序時(shí)所獲得