第1章計算機系統(tǒng)概述

2023/2/21

教材：王愛英主編

《計算機組成與結(jié)構(gòu)》

(第5版)清華大學出版社

計算機組成

教師：吳濤計算機與軟件學院2023/2/22--------------------------課程簡介--------------------------本課程從計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念出發(fā)，系統(tǒng)講述計算機系統(tǒng)的基本組成、工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。。通過學習本課程，學生應理解計算機各部件內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)整體概念，熟悉計算機系統(tǒng)層次化概念，了解計算機體系的新技術(shù)，能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計，為學習本專業(yè)后繼課程和對今后從事計算機系統(tǒng)的研究、開發(fā)打好基礎。2023/2/23目錄 第1章計算機系統(tǒng)概述 第2章數(shù)據(jù)的表示和運算 第3章存儲器層次結(jié)構(gòu) 第4章指令系統(tǒng) 第5章中央處理器 第6章總線 第7章輸入輸出系統(tǒng) 第8章流水線處理技術(shù) 第9章并行計算機體系結(jié)構(gòu) 2023/2/24第1章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機的發(fā)展歷程1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3計算機的性能指標1.4計算機的分類和應用2023/2/251.1計算機的發(fā)展歷程根據(jù)制造計算機所使用的元器件的不同，電子計算機的發(fā)展依次經(jīng)歷了電子管時代、晶體管時代、中小規(guī)模集成電路時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代等幾個不同的發(fā)展階段。電子管晶體管集成電路2023/2/261.1計算機的發(fā)展歷程第一代，電子管計算機時代（1946～1959）電子管是封裝在玻璃外殼內(nèi)的一種電真空器件。1904年，世界上第一只電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生，標志著世界從此進入了電子時代。世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），1946年由美國賓夕法尼亞大學研制，字長12位，運算速度5000次/秒，使用18800個電子管、1500個繼電器，功耗150kw，占地170m2，重達30噸，造價100萬美元。一般認為它是現(xiàn)代計算機的始祖。2023/2/27世界上第一臺電子計算機ENIAC2023/2/28有爭議的第一臺計算機：二戰(zhàn)中，為破譯德國人的機械式密碼，英國情報機關(guān)與數(shù)學、電子學專家合作，1943年研制出了一種大型電子運算裝置，稱其為“巨人”機。1939年12月，美籍保加利亞人、物理學家阿塔納索夫就造出了世界上第一臺電子計算機ABC，但正值二戰(zhàn)，他沒有申請專利，也沒有公布資料。1941年，約翰·莫奇利在阿坦那索夫家借住5天，可能看到了研究成果，其后負責制造了ENIAC，隨后迅速申請專利。1967年，莫奇利被告上法庭。1973年10月19日，法庭終審，該審判從法律上認定阿坦那索夫才是真正的現(xiàn)代計算機的發(fā)明人，這是一場美國歷史上耗時最久的知識產(chǎn)權(quán)官司。2023/2/291.1計算機的發(fā)展歷程第一代，電子管計算機時代（1946～1959）ENIAC計算機存在兩個主要缺點，一是存儲容量太小，只能存20個字長為10位的十進制數(shù)，二是用線路連接的方法來編排程序，每次解題都要依靠人工改接連線，準備時間大大超過實際計算時間。與ENIAC計算機研制的同時，馮·諾依曼(VonNeumann)與莫爾小組合作研制EDVAC計算機，采用了存儲程序方案，其后開發(fā)的計算機都采用這種方式，稱為馮·諾依曼計算機。ENIAC的總設計師，世界上第一家計算機公司創(chuàng)辦者：約翰·莫克利計算機之父，博弈論之父：馮·諾依曼2023/2/2101.1計算機的發(fā)展歷程第一代，電子管計算機時代（1946～1959）一般認為馮·諾依曼機具有如下基本特點：

(1)計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。(2)采用存儲程序方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器中，并以二進制碼表示。(3)指令由操作碼和地址碼組成。(4)指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數(shù)器（即程序計數(shù)器PC）指明要執(zhí)行的指令所在的存儲單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結(jié)果或外界條件改變。(5)以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運算器。2023/2/2111.1計算機的發(fā)展歷程第二代，晶體管計算機時代（1959～1964）晶體管通常指晶體三極管，是內(nèi)部含有兩個PN結(jié)、外部通常為三個引出電極的半導體器件。1947年貝爾實驗室肖克利發(fā)明了晶體管。1958年晶體管進入批量生產(chǎn)階段。用晶體管可設計出實現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎上，再實現(xiàn)出計算機用的全部組合邏輯線路，和觸發(fā)器、計數(shù)器等各種時序邏輯線路?！熬w管之父”

“硅谷第一人”肖克利W.Shockley

2023/2/2121.1計算機的發(fā)展歷程第二代，晶體管計算機時代（1959～1964）1954年，美國貝爾實驗室研制出第一臺使用晶體管線路的計算機，取名“催迪克”（TRADIC），裝有800個晶體管。1958年，美國IBM公司制成第一臺全部使用晶體管的計算機RCA501型。1964年，中國制成了第一臺全晶體管電子計算機441-B型。2023/2/2131.1計算機的發(fā)展歷程第二代，晶體管計算機時代（1959～1964）第二代計算機性能和可靠性提高，體積和價格下降，外設和軟件也越來越多，并且高級程序設計語言應運而生，從而使計算機工業(yè)迅速發(fā)展。盡管用晶體管替代電子管使計算機面貌煥然一新，但隨著對計算機性能的追求，新計算機包含的晶體管數(shù)量已從一萬個左右驟增到數(shù)十萬個，人們需要將這些晶體管、電阻等元件都焊接到一塊電路板上，再有一塊塊電路板通過導線連接到一臺計算機上。其復雜工藝嚴重影響了制造計算機的生產(chǎn)效率，使計算機可靠性很低。2023/2/2141.1計算機的發(fā)展歷程第三代，中小規(guī)模集成電路計算機時代（1964～1970）集成電路（IntegratedCircuit，簡稱IC）是將各種電子電子元器件以相互聯(lián)系的狀態(tài)集成到半導體材料（主要是硅）或絕緣體材料薄層片子上，再用一個管殼將其封裝起來，構(gòu)成一個完整的、具有一定功能的電路或系統(tǒng)。計算機的數(shù)據(jù)存儲、運算、傳輸及控制功能是由各類門電路實現(xiàn)的，而門電路又是由晶體管、電阻、電容等組成，集成電路制造技術(shù)發(fā)展可實現(xiàn)將成百上千個門電路全部制作在一塊小硅片上，這使得計算機體積大大縮小，功耗降低，計算機可靠性提高。4081,四2輸入與門2023/2/215第一個集成電路：1958年，美國德克薩斯儀器公司JackKilby提出將多個半導體元件放在一片半導體材料上，這個成果就是世界上第一個集成電路。JackKilby：集成電路的發(fā)明專利擁有者，集成電路之父（爭議），奠定了現(xiàn)代微電子學領域的基礎。因參與發(fā)明集成電路2000年獲諾貝爾物理學獎2023/2/216RobertNoyce：著名物理學家，集成電路推廣者，英特爾創(chuàng)始人，1958年與JackKilby同時宣布制成第一塊集成電路，法庭將集成電路發(fā)明專利授予基爾比，而將關(guān)鍵的內(nèi)部連接技術(shù)（制作工藝）專利授予諾伊斯。諾伊斯共同創(chuàng)辦了兩家硅谷最偉大的公司之一：第一家是半導體工業(yè)的搖籃--仙童(Fairchild)公司，已成為歷史；第二家則仍躋身美國最大的公司之列，這就是英特爾公司。他的外號叫“硅谷市長”。硅谷唯一一位集財富、威望和成就于一體的圣人2023/2/2171.1計算機的發(fā)展歷程第三代，中小規(guī)模集成電路計算機時代（1964～1970）第三代計算機的代表是IBM公司花了50億美元開發(fā)的IBM360系列。20世紀60年代初，IBM公司提出研制由集成電路組成的系列電腦，淘汰晶體管機器。1961年12月28日，“IBM360系統(tǒng)電子計算機”方案出臺。新電腦系統(tǒng)用360為名，表示一圈360度。代表360電腦從工商業(yè)到科學界的全方位應用。所需費用：研制經(jīng)費5億，生產(chǎn)設備10億，推銷和租賃35億—共需投資50億！而美國研制第一顆原子彈的“曼哈頓工程”才用了20億美元。360系列率先提出“兼容性”概念，1964年IBM360系列面世，共有6個型號大、中、小型電腦和44種配套設備。5年之內(nèi)，IBM360共售出32300臺，創(chuàng)造了電子計算機銷售中的奇跡。2023/2/2181.1計算機的發(fā)展歷程第四代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機時代（1970至今）目前計算機使用的元件依然是集成電路，不過，這種集成電路已經(jīng)大大改善，它包含著幾十萬到上百萬個晶體管，人們稱之為大規(guī)模集成電路（LargeScalelntegratedCircuit，簡稱LSI）和超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，簡稱VLSI）1975年，美國IBM公司推出了個人計算機PC（PersonaIComputer），計算機開始深入到人類生活的各個方面。2023/2/2191.1計算機的發(fā)展歷程第四代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機時代（1970至今）表1.1概括了計算機發(fā)展歷程中各個階段的特點。當前計算機發(fā)展的趨勢是由大到巨(追求高速度、高容量、高性能)，由小到微(追求微型化,包括臺式、便攜式、筆記本式乃至掌上型,使用方便,價格低廉)，網(wǎng)絡化，智能化。現(xiàn)代計算機在許多技術(shù)領域取得了極大進步。如多媒體技術(shù)、計算機網(wǎng)絡、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能、不污染環(huán)境并節(jié)約能源的“綠色計算機”等。許多新技術(shù)和材料開始應用于計算機,如量子計算機、光子計算機、分子計算機和納米計算機等。2023/2/220表1.1計算機發(fā)展歷程中各個階段的特點年代第一代1946-1959第二代1959-1964第三代1964-1970第四代1970-現(xiàn)在電子器件電子管晶體管集成電路大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路存儲器延遲線磁芯、磁鼓磁帶、紙帶磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導體存儲器磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導體存儲器磁帶、磁盤光盤處理方式機器語言匯編語言監(jiān)控程序高級語言實時處理操作系統(tǒng)實時/分時處理網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應用領域科學計算科學計算數(shù)據(jù)處理過程控制科學計算系統(tǒng)設計等科技工程領域各行各業(yè)運行速度5000至3萬次/秒幾十萬至百萬次/秒百萬至幾百萬次/秒幾百萬至千億次/秒典型機型ENIACEDVACIBM705UNIVACⅡIBM7094CDC6600IBM360PDP11NOVA1200ILLIAC-ⅣVAX11IBMPC2023/2/2211.1計算機的發(fā)展歷程IT行業(yè)第一定律——摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能將提升一倍。1965年4月，當時還是仙童公司電子工程師的摩爾在《電子學》雜志上發(fā)文提出。四十多年來，該定律基本有效。專家預言，隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運行也難以控制，“摩爾定律”將逐步失效。戈登.摩爾Intel公司聯(lián)合創(chuàng)世人現(xiàn)任Intel公司名譽董事長2023/2/222計算機發(fā)展歷史上幾次飛躍(應用)

1發(fā)展階段代表性成果標志性成就硬件軟件應用說明第一次飛躍電子計算機1919，電子觸發(fā)器

1946，ENIAC

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的確立1969，貝爾實驗室Unix

1957,IBM,Fortran

1960,結(jié)構(gòu)化程序設計語言ALGOL60

1970,Pascal

1964,日本，鐵路售票系統(tǒng)

1967，IBM,應用衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊

1970，斯坦福大學,專家系統(tǒng)DENDRAL

計算機進入社會2023/2/223計算機發(fā)展歷史上幾次飛躍(應用)

2發(fā)展階段代表性成果標志性成就硬件軟件應用說明第二次飛躍微型計算機1971，日本與Intel,4004

1975,美國,Altair8800/Tandy,TRS80等

Apple機(motorola68000)與IBMPC機

1987IBMPS/2(MCA結(jié)構(gòu))

單片機Microsoft公司:DOS/WINDOWS工業(yè)控制

/自動化儀器與家電

OA/商業(yè)

/機電與宇航出現(xiàn)了許多技術(shù)與產(chǎn)品：

工作站

/并行計算機

/精簡指令系統(tǒng)（RISC）

面向?qū)ο蠹夹g(shù)（OOP）

客戶機/服務器模型

數(shù)據(jù)庫技術(shù)

/數(shù)據(jù)倉庫的理論（80年代IBM提出）2023/2/224計算機發(fā)展歷史上幾次飛躍(應用)

3發(fā)展階段代表性成果標志性成就硬件軟件應用說明第三次飛躍網(wǎng)絡與多媒體DECnet/IBMLAN/Ethernet

（網(wǎng)絡）1984,Macintosh機

(多媒體)1986.Philip與Sony,CD-ROM

1987.,RCA公司，DVI（DigitalVideoInteractive）系統(tǒng)VR

（虛擬現(xiàn)實）OODB

（面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫）多種圖像格式與壓縮算法Internet

多媒體Internet與多媒體的結(jié)合與無限發(fā)展2023/2/2251.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)為了描述計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，首先要清楚地區(qū)分計算機結(jié)構(gòu)和計算機組織兩個概念。計算機結(jié)構(gòu):對涉及機器語言或者匯編語言的程序設計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，更多的情況下是指計算機的外特性。這些屬性直接影響到程序的邏輯執(zhí)行，主要包括指令集、表示各種數(shù)據(jù)類型的比特數(shù)、I/O機制以及內(nèi)存訪問技術(shù)等。計算機組成:計算機各部件的具體組成以及它們之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。從這一點上，計算機組成是計算機結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)2023/2/2261.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)通常包括硬件和軟件兩大部分，僅有硬件或者僅有軟件，計算機系統(tǒng)都不能正常工作，只有兩者互相配合才能實現(xiàn)特定功能。計算機的層次結(jié)構(gòu)既是分配軟硬件功能的一種模式描述，也是分析計算機系統(tǒng)的較好方法

。一般將計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)分為六層。2023/2/2271.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第三級2023/2/2281.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)微指令系統(tǒng)在采用微程序控制方式的計算機系統(tǒng)中用來解釋微程序指令。每條機器指令的功能均由微程序?qū)崿F(xiàn)，指令的執(zhí)行過程就是微程序的執(zhí)行過程。傳統(tǒng)機器只能識別機器語言，不能立刻運行程序指令。操作系統(tǒng)語言機器由管理計算機內(nèi)部資源的各種系統(tǒng)軟件組成。操作系統(tǒng)隨著計算機的發(fā)展正逐漸成為系統(tǒng)軟件的核心。匯編語言機器使用匯編程序翻譯成機器語言，用戶用匯編編寫的程序可以在計算機上運行。高級語言機器采用編譯程序或解釋程序?qū)⒏呒壵Z言翻譯成匯編語言，所以用戶用高級語言編寫的程序也以在計算機上運行。應用語言機器將面向各種不同應用的專用程序翻譯成高級語言。從上面可以看出，在計算機層次結(jié)構(gòu)的六層結(jié)構(gòu)中，最下面的兩層屬于硬件，其余四層為軟件。2023/2/2291.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計算機硬件的基本組成。從外觀上看，計算機系統(tǒng)的硬件部分主要由主機、鍵盤、鼠標和顯示器等組成；從邏輯功能上看，可以分為控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備五個部分，一般地又把運算器和控制器合稱為中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)

。運算器是計算機中進行數(shù)據(jù)加工的部件，其主要功能是執(zhí)行算術(shù)邏輯運算并暫時存放中間結(jié)果；控制器是計算機中控制指令執(zhí)行的部件，向計算機各功能部件提供每一時刻運行所需控制信號，主要功能是從內(nèi)存中取出一條指令，指出下一條指令在內(nèi)存中位置，對指令進行譯碼，產(chǎn)生相應操作控制信號；指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設備之間數(shù)據(jù)流動的方向。

2023/2/2301.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計算機硬件的基本組成。存儲器是計算機中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。存儲器作為存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，使得計算機有了記憶功能，并能保證計算機正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器(內(nèi)存)和輔助存儲器(外存)。內(nèi)存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)會丟失；外存是大容量、永久性存儲器，以彌補內(nèi)存的不足，如磁帶、磁盤、光盤等。

2023/2/2311.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計算機硬件的基本組成。計算機的外部設備包括輸入設備、輸出設備和輔助存儲器等。輸入設備(InputDevice):向計算機輸入數(shù)據(jù)和信息的設備。是計算機與用戶或其他設備通信的橋梁。計算機能夠接收各種各樣的數(shù)據(jù)，如數(shù)值、符號、圖形、圖像、聲音等。輸出設備(OutputDevice):人與計算機交互的部件，用于數(shù)據(jù)的輸出。把各種計算結(jié)果數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。常見的有顯示器、打印機、繪圖儀、影像輸出系統(tǒng)、語音輸出系統(tǒng)、磁記錄設備等

。

2023/2/2321.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.1計算機硬件的基本組成。計算機內(nèi)各部件間來往的信號可分成三種類型，即地址、數(shù)據(jù)和控制信號。通常這些信號是通過總線傳送的。2023/2/2331.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.2計算機軟件的分類。計算機軟件是指計算機系統(tǒng)中的程序和文檔。

程序是對計算任務的處理對象和處理規(guī)則的描述；

文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。計算機軟件按面向?qū)ο蟛煌煞譃閮深悾?1)系統(tǒng)軟件：用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能、管理系統(tǒng)的軟件，為了便于人們使用計算機而設計。系統(tǒng)軟件管理整個計算機系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計算機正確高效地運行。常用的系統(tǒng)軟件有：操作系統(tǒng)、編譯器、解釋器、匯編器等。(2)應用軟件：面向用戶的、針對某種特定應用而開發(fā)的軟件。這類軟件通常是實現(xiàn)用戶的某類需求。如安裝在操作系統(tǒng)下的各類應用軟件，用于企業(yè)的各類資源管理軟件。

2023/2/2341.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2.3計算機的工作過程。簡單地說，計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。程序是由一系列的機器指令構(gòu)成，是一個特定的指令序列，指令則就是一組二進制信息的代碼。計算機的工作過程就是將編制好的程序經(jīng)過輸入設備存放到主存儲器中，并將程序存放的首地址傳送到控制器中，它首先將指令從存儲器讀到指令寄存器，稱為取指階段。接著，它分析這條指令，指出指令要完成的操作，并指明操作數(shù)的地址，這個階段成為分析階段。最后根據(jù)指令分析的結(jié)果完成某種操作，稱為執(zhí)行階段。計算機的工作過程就是取指令、分析指令、執(zhí)行指令，如此周而復始的過程

。

2023/2/2351.3計算機的性能指標計算機性能指標由其體系結(jié)構(gòu)、采用的器件、外圍設備配置以及系統(tǒng)軟件資源等多方面因素決定。衡量一臺計算機性能的好壞，要綜合多項指標。本節(jié)主要討論計算機硬件的性能指標。2023/2/2361.3計算機的性能指標1.3.1機器字長機器字長是指CPU一次能處理二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，實際上指該計算機中的運算器的位數(shù)。如某機器字長32位，表示該機器中，每次能完成兩個32位二進制數(shù)的運算。通常，機器字長越長，計算機的運算能力越強，其運算精度也越高。例如，酷睿i系列CPU的機器字長為64位。通常稱處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一時間內(nèi)處理字長為32位的二進制數(shù)據(jù)。字長總是8的整數(shù)倍，早期的微機字長一般是8位和16位，386以及更高的處理器大多是32位。目前市面上計算機的處理器大部分已達到64位，但目前操作系統(tǒng)大多是32位的，很多時候，在32位軟件系統(tǒng)中64位字長的CPU只能當32位用。2023/2/2371.3計算機的性能指標1.3.2運算速度CPU的主頻(f)，即CPU內(nèi)部的工作頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關(guān)系，但與CPU實際的運算速度存在一定的關(guān)系。主頻僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，不能代表CPU整體性能。除了CPU主頻之外，還有一種工作頻率，稱為外部工作頻率，簡稱外頻。它是由主板為CPU提供的基準時鐘頻率，它表示的是系統(tǒng)總線的工作頻率；而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者是密切關(guān)系：主頻=外頻×倍頻。2023/2/2381.3計算機的性能指標1.3.2運算速度FSB:前端總線,指CPU與北橋芯片間的數(shù)據(jù)傳輸總線。FSB頻率一般是外頻的若干倍，如對于P4，F(xiàn)SB頻率=CPU外頻*4,現(xiàn)在主流主板中常見的FSB有1333M、800M、533M、400M和333M等幾種。右圖為典型芯片組規(guī)劃2023/2/2391.3計算機的性能指標1.3.2運算速度時鐘周期(T):CPU內(nèi)部時鐘頻率的倒數(shù)，這是CPU執(zhí)行操作的最小時間元素。每個動作至少需要一個時鐘周期。以PC微處理器為例，8086和8088執(zhí)行一條指令平均需12個時鐘周期，80286和80386速度提高，每條指令約需4.5個時鐘周期；80486的每條指令大約2個時鐘周期；Pentium具有雙指令流水線，每個時鐘周期執(zhí)行1～2條指令；PentuimPro、PentiumII/III每個時鐘周期可執(zhí)行3條或更多條指令。CPU的主頻與CPU時鐘周期互為倒數(shù)，即f=1/T

。2023/2/2401.3計算機的性能指標1.3.2運算速度CPU執(zhí)行時間表示CPU執(zhí)行某段程序所需的時間，通常用tCPU表示。可以用下式表示：

CPU執(zhí)行時間＝CPU時鐘周期數(shù)×CPU時鐘周期長

CPI(CyclesPerInstruction)表示執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)。計算公式如下：2023/2/2411.3計算機的性能指標1.3.2運算速度MIPS（MillionInstructionsPerSecond）：每秒執(zhí)行多少百萬條指令，定義為：

MFLOPS（MillionFloating-pointOpereationPerSecond）：每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算。定義為：2023/2/2421.3計算機的性能指標1.3.2運算速度[例1.1]用一臺40MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應所需的平均時鐘周期數(shù)如表1.2所示。求：有效CPI、MIPS速率、程序執(zhí)行時間tCPU。指令類型指令數(shù)平均時鐘周期數(shù)整數(shù)運算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點運算150002控制傳送800022023/2/2431.3計算機的性能指標1.3.2運算速度[例1.1]解：=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(45000+32000+15000+8000)=1.55(周期/指令)MIPS=f/(CPI×106)=(40×106)/(1.55×106)=25.81(百萬條指令/秒)T=1/f=1/(40×106)(秒)tCPU=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40×106)=3.875×103(秒)2023/2/2441.3計算機的性能指標1.3.3吞吐量和響應時間計算機范疇下的吞吐量分為兩種：一種是網(wǎng)絡范疇下的吞吐量，它是指在沒有幀丟失的情況下，設備能夠接受的最大速度。它的大小主要是由防火墻內(nèi)網(wǎng)卡，及程序算法的效率決定的；另一種是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的吞吐量，它是在單位時間內(nèi)CPU從存儲設備中讀取、處理、存儲信息的量，單位是字節(jié)/秒(B/S)，影響因素主要有存儲設備的存取速度和CPU的性能，如主頻、CPI等。響應時間指用戶發(fā)出請求或指令到系統(tǒng)做出反應(響應)的時間。

2023/2/2451.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類計算機發(fā)展到今天，種類繁多并表現(xiàn)出各自不同的特點，可以從不同的角度對計算機進行分類。按計算機信息的表示形式和對信息的處理方式分類(1)數(shù)字計算機：該類計算機輸入、處理、輸出和存儲的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)在時間上是離散的。(2)模擬計算機：該類計算機輸入、處理、輸出和存儲的數(shù)據(jù)都是模擬量，這些數(shù)據(jù)在時間上是連續(xù)的。模擬計算機解題速度快，適于解高階微分方程，在模擬計算和控制系統(tǒng)中應用較多。模擬計算機由于受元器件質(zhì)量影響，其計算精度較低，應用范圍較窄。2023/2/2461.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類按照計算機的用途分類

(1)通用計算機：為能解決各種問題，具有較強的通用性而設計的計算機。它具有一定的運算速度，有一定的存儲容量，帶有通用的外部設備，配備各種系統(tǒng)軟件、應用軟件。一般的數(shù)字式電子計算機多屬此類。(2)專用計算機：為解決某個或某類特定問題而設計的計算機。它的硬件和軟件的配置依據(jù)解決特定問題的需要而定，并不求全。專用機功能單一，配有解決特定問題的固定程序，能高速、可靠地解決特定問題。2023/2/2471.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類按照計算機規(guī)模、速度和功能分類

(1)巨型機：又稱超級計算機，是指運算速度超過每秒1億次的高性能計算機，它是目前功能最強、速度最快、軟硬件配套齊備、價格最貴的計算機，主要用于解決諸如氣象、太空、能源、醫(yī)藥等尖端科學研究和戰(zhàn)略武器研制中的復雜計算。它們安裝在國家高級研究機關(guān)中，可供幾百個用戶同時使用。(2)大型機：這種計算機也有很高的運算速度和很大的存儲量并允許相當多的用戶同時使用。當然在量級上都不及巨型計算機，結(jié)構(gòu)上也較巨型機簡單些，價格相對巨型機要便宜，因此使用的范圍較巨型機普遍，是事務處理、商業(yè)處理、信息管理、大型數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)通信的主要支柱。2023/2/2481.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類按照計算機規(guī)模、速度和功能分類

(3)小型機：其規(guī)模和運算速度比大中型機要差，但仍能支持十幾個用戶同時使用。小型機具有體積小、價格低、性價比高等優(yōu)點，適合中小企業(yè)、事業(yè)單位用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析計算、企業(yè)管理以及科學計算等，也可做巨型機或大中型機的輔助機。(4)微型機：微型機是當今使用最普及、產(chǎn)量最大的一類計算機，它的體積小、功耗低、成本少、靈活性大，性能價格比明顯地優(yōu)于其他類型計算機，因而得到了廣泛應用。2023/2/2491.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類按照計算機的體系結(jié)構(gòu)分類。1966年，美國MichaelFlynn教授從計算機體系結(jié)構(gòu)的并行性出發(fā)，提出按指令流的多倍性和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類的方法。計算機在執(zhí)行程序的過程中，有兩種信息在流動：一種信息是計算機指令，它從存儲器流入控制器并成為整個計算機系統(tǒng)的控制信號；另一種是數(shù)據(jù)，它從輸入設備流入存儲器，再流入執(zhí)行部件，如運算器，運算結(jié)果流入存儲器或輸出設備。因此根據(jù)指令流與數(shù)據(jù)流的不同組合，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為四類。2023/2/2501.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類按照計算機的體系結(jié)構(gòu)分類。(1)單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)結(jié)構(gòu)：是指傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的處理器，它由單一控制器、單一執(zhí)行部件和單一存儲器組成。控制器每次只對一條指令譯碼，執(zhí)行部件每次只對單一數(shù)據(jù)進行處理。(2)單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)結(jié)構(gòu)：是指單一控制器、多個執(zhí)行部件和多個存儲模塊組成的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制部件每次只對一條指令進行譯碼，并向多個執(zhí)行部件發(fā)出相同的控制命令，使多個執(zhí)行部件執(zhí)行相同的操作，此即單指令流的含義。而每個執(zhí)行部件加工的對象是從不同存儲模塊中取出來的數(shù)據(jù)，此即多數(shù)據(jù)流的含義。2023/2/2511.4計算機的分類和應用領域1.4.1計算機的分類按照計算機的體系結(jié)構(gòu)分類。(3)多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)結(jié)構(gòu)：是指多個控制器、多個執(zhí)行部件對單一數(shù)據(jù)同時執(zhí)行不同的指令，用的較少。(4)多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)結(jié)構(gòu)：是指多個處理器系統(tǒng)，由多個控制器、多個執(zhí)行部件和多個存儲模塊組成。MIMD結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)是大多數(shù)高性能并行計算機系統(tǒng)和計算機集群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。由多個互相連接的處理器構(gòu)成，又稱為并行處理器系統(tǒng)。這種計算機中的每個處理器在各自程序的控制下運行，對各自的數(shù)據(jù)獨立進行協(xié)作運算，形成多個指令流和多個數(shù)據(jù)流。各處理器既可相同，也可不完全相同，分別構(gòu)成同構(gòu)型和異構(gòu)型并行計算機系統(tǒng)。2023/2/2521.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域計算機的應用領域已滲透到社會的各行各業(yè)，推動著社會的發(fā)展。計算機的主要應用領域如下：科學計算(或數(shù)值計算)科學計算是指利用計算機來完成科學研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學問題的計算。在現(xiàn)代科學技術(shù)工作中，科學計算問題計算量大，復雜性高。利用計算機高速計算、大存儲容量和連續(xù)運算的能力，可實現(xiàn)人工無法解決的各種科學計算問題。例如，在天文學、量子化學、空氣動力學、核物理學等領域，需要依靠計算機進行復雜的運算。在軍事上，導彈的發(fā)射及飛行軌道的計算控制、先進防空系統(tǒng)等現(xiàn)代化軍事設施通常都是由計算機控制的大系統(tǒng)?，F(xiàn)代航空、航天技術(shù)發(fā)展，例如超音速飛行器的設計，人造衛(wèi)星與運載火箭軌道計算更是離不開計算機。2023/2/2531.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域數(shù)據(jù)處理(或信息處理)

數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，80％以上的計算機主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，決定計算機應用主導方向。例如，在銀行系統(tǒng)中，用計算機處理儲戶的存款、取款、發(fā)放工資，或為信用卡系統(tǒng)、銷售點系統(tǒng)提供服務等。在企業(yè)數(shù)據(jù)處理領域中，計算機廣泛應用于財會與經(jīng)營管理中，如編制生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計報表、成本核算、銷售分析、市場預測、利潤預估、采購訂貨、庫存管理、工資管理等。2023/2/2541.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域輔助技術(shù)（CAD、CAM和CAI等）

計算機輔助設計(ComputerAidedDesign,簡稱CAD)：計算機是利用計算機系統(tǒng)輔助設計人員進行工程或產(chǎn)品設計，以實現(xiàn)最佳設計效果的一種技術(shù)。它已廣泛地應用于飛機、汽車、機械、電子、建筑等領域。例如，在電子計算機的設計過程中，利用CAD技術(shù)進行體系結(jié)構(gòu)模擬、邏輯模擬、插件劃分、自動布線等，從而大大提高了設計工作的自動化程度。2023/2/2551.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域輔助技術(shù)（CAD、CAM和CAI等）

計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,簡稱CAM)：是利用計算機系統(tǒng)進行生產(chǎn)設備的管理、控制和操作的過程。例如，在產(chǎn)品的制造過程中，用計算機控制機器的運行，處理生產(chǎn)過程中所需的數(shù)據(jù)，控制和處理材料的流動以及對產(chǎn)品進行檢測等。使用CAM技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率和改善勞動條件。將CAD和CAM技術(shù)集成，實現(xiàn)設計生產(chǎn)自動化，這種技術(shù)被稱為計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。它的實現(xiàn)將真正做到無人化工廠(或車間)。2023/2/2561.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域輔助技術(shù)（CAD、CAM和CAI等）

計算機輔助教學(ComputerAidedInstruction,簡稱CAI)：是利用計算機系統(tǒng)使用課件來進行教學。課件可以用著作工具或高級語言來開發(fā)制作，它能引導學生循環(huán)漸進地學習，使學生輕松自如地從課件中學到所需要的知識。CAI的主要特色是交互教育、個別指導和因人施教

。2023/2/2571.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域過程控制(或?qū)崟r控制)

過程控制是利用計算機及時采集檢測數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值迅速地對控制對象進行自動調(diào)節(jié)或自動控制。最初過程控制主要用于導彈、衛(wèi)星、飛機等航空航天領域。計算機靈敏、精確控制，使得這些領域內(nèi)工作能準確完成。在現(xiàn)代工廠里，計算機普遍用于生產(chǎn)過程自動控制，例如，在化工廠中用計算機來控制配料、溫度、閥門的開閉等；在煉鋼車間用計算機控制加料、爐溫、冶煉時間等；這使許多生產(chǎn)領域可實現(xiàn)無人操作，實現(xiàn)精確控制，獲得更高生產(chǎn)效率。用于過程控制的計算機，一般都是實時控制，對計算機的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則將生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品，甚至造成重大設備事故或人身事故。2023/2/2581.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域人工智能

人工智能(ArtificialIntelligence)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學。人工智能研究的主要內(nèi)容包括知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲得、知識處理、自然語言理解、計算機視覺和智能機器人等?，F(xiàn)在人工智能的研究與應用在模式識別、自然語言的理解和生成、博弈、自動定理證明、自動程序設計、專家系統(tǒng)、模擬訓練系統(tǒng)、機器人等領域得到發(fā)展。人工智能將計算機的應用提高到一個更高的層次，為計算機的推廣與應用開拓出嶄新的領域

。2023/2/2591.4計算機的分類和應用領域1.4.2計算機的應用領域虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實是利用計算機產(chǎn)生的一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，達到用戶與環(huán)境直接進行交互的目的。這種虛擬環(huán)境是用計算機構(gòu)成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一種特定現(xiàn)實世界的真實寫照，也可以是純粹構(gòu)想出來的世界。這類技術(shù)雖然早在20世紀60年代初就開始研究，但只有在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，各種傳感設備及計算機價格不斷降低，軟件系統(tǒng)日趨完善，如實時三維圖形生產(chǎn)及顯示、三維聲音定位與合成等技術(shù)的發(fā)展，才有可能使虛擬現(xiàn)實技術(shù)獲得迅速的發(fā)展和廣泛的應用。虛擬現(xiàn)實在軍事、教育、航天、航空、娛樂、生活中的應用不僅會改變?nèi)藗兊乃季S方式和生活方式，還必將導致一場重大的技術(shù)革命。2023/2/260著名數(shù)學家華羅庚是提倡在我國開展電子計算機科研的第一人。他于1950年回國后不久，就向中央提出開展電