計算機系統(tǒng)概述2

計算機系統(tǒng)概述演示文稿目前一頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點優(yōu)選計算機系統(tǒng)概述目前二頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點目錄1.1計算機的發(fā)展1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展本章小結(jié)目前三頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點第一章計算機系統(tǒng)概論學(xué)習目的：1.掌握馮.諾依曼計算機模型的思想、馮氏計算機的硬件組成和基本功能；2.掌握計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，從軟件、硬件兩方面描述；3.掌握電子計算機的發(fā)展歷程；4.掌握計算機性能指標：CPU時鐘周期，主頻，CPI，CPU執(zhí)行時間；MIPS，MFLOPS；5.了解計算機的工作過程；目前四頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點What?目前五頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點

計算機的產(chǎn)生1945年,美國數(shù)學(xué)家馮.諾依曼博士發(fā)表《電子計算工具邏輯設(shè)計》論文，提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機構(gòu)想。1946年,美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計算機ENIAC。重30噸，耗電150kW，占地170平米，用電子管18800個，每秒5000次加法。1.1計算機的發(fā)展目前六頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點目前七頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點目前八頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.1計算機的發(fā)展從使用器件的角度來說,計算機的發(fā)展到目前為止大致經(jīng)歷了5代的變化：第1代為1946年開始的電子管計算機第2代為1958年開始的晶體管計算機第3代為1964年開始的中小規(guī)模集成電路計算機第4代為1972年開始的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機第5代為1986年開始的巨大規(guī)模集成電路計算機？？量子？生物？智能？目前九頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點第一代電子管計算機—IBM709大型機目前十頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點第二代晶體管計算機——IBM7094目前十一頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點第三代計算機——IBM360目前十二頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點第四代計算機——IBM370目前十三頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點第五代巨大規(guī)模集成電路計算機(天河一號)目前十四頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2計算機的硬件組成1.2.1計算機的硬件框圖1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標目前十五頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.1計算機的硬件框圖馮·諾依曼計算機的特點是:程序以二進制代碼的形式存放在存儲器中;所有的指令都是由操作碼和地址碼組成;指令在其存儲過程中按照執(zhí)行的順序;以運算器作為計算機結(jié)構(gòu)的中心等。圖1.1馮·諾依曼計算機硬件框圖圖中：實線為數(shù)據(jù)線,虛線為控制線和反饋線。目前十六頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.1計算機的硬件框圖圖1.2以存儲器為中心的計算機硬件框圖圖中：實線為控制線,

虛線為反饋線,

空心箭頭線為數(shù)據(jù)線。輸入設(shè)備控制器存儲器運算器輸出設(shè)備目前十七頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點各部件的功能：運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算,并將運算的中間結(jié)果暫存在運算器內(nèi)。存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序?？刂破饔脕砜刂?、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行以及處理運算結(jié)果。輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為計算機能識別的信息形式,常見的有鍵盤、鼠標等。輸出設(shè)備可將計算機運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式,如打印機、顯示器等。目前十八頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.1計算機的硬件框圖圖1.3現(xiàn)代計算機的組成框圖CPU——“中央處理器”的簡稱，由運算器和控制器組成。I/O設(shè)備——“輸入設(shè)備與輸出設(shè)備”的簡稱。CPU與主存儲器MM合起來又可稱為主機；I/O設(shè)備可稱為外部設(shè)備。ALU——算術(shù)邏輯運算單元,用來完成算術(shù)邏輯運算。CU——控制單元,用來解釋存儲器中的指令,并發(fā)出各種操作命令來執(zhí)行指令。目前十九頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點目前二十頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標1）機器字長機器字長是指計算機中CPU能進行多少位二進制數(shù)的并行運算,實際上是指該計算機中的運算器有多少位,通常計算機的數(shù)據(jù)總線和寄存器的位數(shù)與機器字長一致。機器字長越長,數(shù)的表示范圍就越大,精度也越高。機器的字長也會影響機器的運算速度，對硬件的造價也有較大影響。衡量機器字長的單位可用“位(bit)”,位是計算機內(nèi)最小的信息單位,8位構(gòu)成1個“字節(jié)(byte)”。字長的長度是不固定的,對于不同的CPU,字長的長度也不一樣。目前二十一頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標2）主頻又稱主時鐘頻率,CPU工作的節(jié)拍是由主時鐘控制的。主時鐘不斷地產(chǎn)生固定頻率的時鐘脈沖,時鐘脈沖的頻率就是CPU的主頻率。主頻率越高,CPU的工作節(jié)拍越快,是影響機器運算速度的重要參數(shù)。目前二十二頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標3）存儲容量存儲容量的大小不僅影響著存儲程序和數(shù)據(jù)的多少,而且也影響著運行這些程序的速度。主存用以直接與CPU交換信息,主存容量大,機器的運行速度就快。主存容量是指主存中存放二進制代碼的總數(shù),即:

存儲容量=存儲單元個數(shù)×存儲字長現(xiàn)代計算機中常以字節(jié)(byte)的個數(shù)來描述容量的大小。緩存大小也是CPU的重要指標之一。目前二十三頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標4）運算速度

(1)CPU執(zhí)行時間CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)/頻率或CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)×時鐘周期長度目前二十四頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標4）運算速度

(2)平均運行時鐘周期數(shù)CPI

CPI=CPU時鐘周期數(shù)/指令條數(shù)IC由此可得CPU執(zhí)行時間的另一表達式:

CPU執(zhí)行時間=CPI×IC×時鐘周期長度

CPU性能公式計算目前二十五頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標若一個計算機指令集包含N條指令,其中指令i的執(zhí)行時間為,且出現(xiàn)次數(shù)為,則該程序執(zhí)行時間為:

整段程序的指令平均運行時鐘周期數(shù)為:

其中，為指令i在程序中出現(xiàn)的頻率,稱為指令i的使用頻度。

例題目前二十六頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點例1.1用一臺時鐘頻率為400MHz的處理機執(zhí)行如表1.2所示標準測試程序,程序中包含的各種指令條數(shù)及各指令的平均時鐘周期數(shù)如表1.2所示。求測試程序的執(zhí)行時間及CPI。解答目前二十七頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點程序的總指令條數(shù)為:指令的平均時鐘周期數(shù)為:測試程序的執(zhí)行時間為:目前二十八頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標4）運算速度

(3)MIPS和MFLOPSMIPS(Million

Instructions

Per

Second)表示每秒百萬條指令數(shù)。對于一個給定的程序,它的MIPS為:

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

則程序執(zhí)行時間Te為:

Te=指令條數(shù)/MIPS*10^6目前二十九頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.2.2計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

4）運算速度

MFLOPS(Million

FLoating-point

Operations

Per

Second)表示每秒百萬條浮點運算次數(shù)。對于一個給定的程序,它的MFLOPS為：

MFLOPS=程序浮點運算次數(shù)/（程序執(zhí)行時間*10^6）

MIPS和MFLOPS是單位時間內(nèi)的執(zhí)行次數(shù),所以機器越快,其MIPS和MFLOPS越高。目前三十頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.1計算機硬件1.3.2計算機軟件1.3.3計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.3.4計算機工作過程1.3.5計算機組成與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系目前三十一頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.1計算機硬件

計算機硬件(Computer

Hardware)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裝置的總稱。

計算機硬件的功能是輸入并存儲程序和數(shù)據(jù),以及執(zhí)行程序把數(shù)據(jù)加工成可以利用的形式。目前三十二頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.1計算機硬件從外觀上來看,計算機由主機箱和外部設(shè)備組成。

主機箱包括CPU、內(nèi)存、主板、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、各種擴展卡、連接線、電源等；

外部設(shè)備包括鼠標、鍵盤、顯示器、音箱等,這些設(shè)備通過接口和連接線與主機相連。目前三十三頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.2計算機軟件計算機軟件(ComputerSoftware)是指計算機系統(tǒng)中的程序和文檔。

程序是計算任務(wù)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。程序必須裝入機器內(nèi)部才能工作,文檔一般是給人看的,不一定裝入機器。

計算機軟件一般分為兩大類:系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件目前三十四頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.2計算機軟件

系統(tǒng)軟件用來簡化程序設(shè)計、簡化使用方法、提高計算機的使用效率、發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下4類:①各種服務(wù)性程序,如診斷程序、排錯程序等;②語言程序,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)庫管理系統(tǒng)。目前三十五頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.2計算機軟件

應(yīng)用軟件是用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序。如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等。

必須指出的是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件之間沒有一個很嚴格的界限。目前三十六頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.3計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)按功能可以劃分成多級層次結(jié)構(gòu),如下圖所示。（下層為上層服務(wù)，下層的“透明性”）目前三十七頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.4計算機工作過程用計算機解決實際問題,通常包含兩大過程:一個是上機前的各種準備,包括建立數(shù)學(xué)模型、確定計算方法、編制解題程序等;另一個是上機運行。現(xiàn)代計算機的特點是預(yù)先把程序和原始數(shù)據(jù)保存到機器中,然后由機器把程序中的指令逐條取出加以執(zhí)行,從而實現(xiàn)自動計算。為了較形象地了解計算機的解題過程,將圖1.3細化,得到如圖1.5所示的計算機組成框圖。圖1.3現(xiàn)代計算機的組成框圖目前三十八頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.4計算機工作過程1.主存儲器主存儲器(簡稱主存或內(nèi)存)包括存儲體、各種邏輯部件及控制電路等。一個存儲單元可存儲一串二進制代碼,稱這串二進制代碼為一個存儲字,這串二進制代碼的個數(shù)稱為存儲字長。主存的工作方式為按地址存取,即按地址訪問存儲器。為了能實現(xiàn)按地址訪問的方式,主存中還必須配置2個寄存器MAR和MDR。存儲體由若干存儲單元組成,每個存儲單元包含若干個存儲元件(或稱存儲基元、存儲元),每個存儲元件能寄存1位二進制代碼“0”或“1”。存儲單元的地址，即存儲單元的編號。地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器目前三十九頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.4計算機工作過程2.控制器控制器是計算機組成的神經(jīng)中樞,由它指揮全機各部件自動、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。命令存儲器讀出一條指令對取出的這條指令進行分析，指出該指令要完成什么樣的操作,并按尋址特征指明操作數(shù)的地址根據(jù)操作數(shù)所在的地址,取出操作數(shù)并完成某種操作目前四十頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.4計算機工作過程3.運算器運算器包括3個寄存器(ACC、MQ和X,現(xiàn)代計算機內(nèi)部往往設(shè)有通用寄存器組)和1個算術(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)的情況。4.I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng)包括各種外部設(shè)備及相應(yīng)的接口。每種設(shè)備都由I/O接口與主機聯(lián)系,它接受控制單元CU發(fā)出的各種控制命令,完成相應(yīng)的操作。目前四十一頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點目前四十二頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點圖1.5細化的計算機組成框圖目前四十三頁\總數(shù)四十六頁\編于十一點1.3.5計算機組成與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系計算機組成(ComputerOrganization)也稱計算機組織,是指計算機系統(tǒng)的的物理實現(xiàn),包括物理機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。它著眼于物理機器級內(nèi)各事件的排序與控制方式、各部件的功能以及各部件的聯(lián)系。計算機組成研究的范圍包括確定數(shù)據(jù)通路的寬度、確定各種操作對功能部件的共享程度、確定專用的功能部件、確定功能部件的并行度、設(shè)計緩沖和排隊策略、設(shè)計控制機構(gòu)和確定采用何種可靠技術(shù)等。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(ComputerArchitecture)也譯成“計算機體系結(jié)