[高等教育]第1章电子教案.ppt

1.3计算机的工作过程及性能指标,1.3.1计算机的工作过程 解决实际问题包含两大过程： 上机前准备：建立数学模型-确定计算方法-编程 上机运行 程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤去做。 指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。,将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行。以采用单累加寄存器结构的运算器为例，计算ax+b-c=?,1.3.2计算机系统的性能评价指标 1.字长 计算机中若干位二进制代码作为一个整体一起进行处理或运算，称之为一个计算机字，简称字。单位时间内(同一时间)，处理机运算器能一次处理的二进制数的位数叫字长。 字长的大小直接影响计算机的功能强弱、精度高低、速度快慢。通常计算机处理器字长与数据总线位数相同。,2.主频/时钟周期 计算机执行每条指令是通过若干步微操作来完成的，这些微操作是按时钟周期的节拍来“动作”的。 每个计算机内部均有一个不断地按固定频率产生时钟信号的装置，为主时钟。主时钟的频率就是主频。 主频(率)的单位是兆赫(MHz)、吉赫(GHz) 。一般来说，主频率越高，计算机的运算速度越快。,CPU时钟周期（T），主频的倒数，即 T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。 CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的时间，可用下式计算：,或,CPI 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：,每秒百万条指令数（MIPS），即单位时间内执行的指令数。,程序执行时间,每秒百万次浮点运算次数(MFLOPS)，用来衡量机器浮点操作的性能。,3.存储容量 存储容量是指一个功能完备的存储器所能存储的二进制形式信息的最大数量。 单位是位、字节、KB、MB、GB。 1字节（BYTE）=8位（bit）二进制数。 1KB=1024字节 1MB=1024KB 1GB=1024MB。,4.数据传输速率 数据传输速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量。度量单位是“位/秒”或“字节/秒”。 一般来讲，数据传送率是针对能连续地写入或读出信息的辅存而言的。由于各种外设工作速度不同，数据传送速率常用主机所能支持的数据输入/输出最大速率表示。,5.兼容性 计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在另一台计算机上正确运行的特性。它体现了这台计算机与其它型号机器之间直接交流信息的可能程度。 一般在同一系列的计算机中，低档机上的程序可以在高档机上正确运行，先生产的计算机上软件可在后生产的计算机上正确运行，我们称之为向上兼容和向后兼容。,此外，还有一些常用指标，如： 总线宽度 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。 存储器带宽 单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s(字节/秒)表示。,1.4计算机系统结构,1.4.1 系统结构的概念 1.计算机系统结构 1946年，Amdahl提出了计算机系统结构的概念： 机器语言或汇编语言程序员所看到的一个计算机系统的属性，指的是计算机系统的外特征，即计算机硬件子系统的概念性结构和功能特性。,计算机系统结构的属性直接和指令系统相关，包括：（了解一下） （1）机器数据表示 （2）寻址方式 （3）寄存器定义 （4）指令系统 （5）中断机构 （6）机器工作状态定义及切换 （7）输入输出结构 （8）信息保护,机器或汇编语言程序员要编写高质量的程序并保证其正常运行，必须深入理解这些属性。 计算机系统结构学科主要研究内容：软件、硬件的功能分配和对软件硬件界面的确定，即哪些功能由软件实现，哪些由硬件实现。,透明性现象 在计算机系统中，一种本来存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 低层机器的属性对高层机器的程序员来说往往是透明的。 举例： 机器语言程序员看到的是机器指令集的功能特征，高级语言程序员通常不关心不同机器之间的指令集差别，只看到高级语言的特性。,2.计算机组成（组织） 概念：计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计。 基本任务：在计算机系统结构确定之后，即分配了硬件子系统的概念结构与功能特性的基础上，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。 例：系列机中不同型号的机器结构相同，但高档机组成往往采用重叠流水等技术。,计算机组成设计一般应包括：（了解） （1）数据通路宽度 （2）专用部件的设置 （3）各种操作对部件的共享程度 （4）功能部件的并行度 （5）控制机构的组成方式 （6）缓冲和排队技术 （7）预估、预判技术（冗余和容错技术）,3.计算机实现 概念：计算机组成的物理实现。包括处理机、内存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输、器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配技术以及有关制造技术和工艺等。,4.三者之间的联系 （1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。 （2）相同的组成可有多种不同的实现。如主存器件可用双极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单片，也可用多片小规模集成电路组搭。 （3）计算机的系统结构不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响结构。 总之，系统结构的设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，同时要考虑可能采用和准备采用的组成技术。,1.4.2 大中型计算机系统的典型结构,在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器、外部设备。 通道是承担I/O操作管理的主要部件，能使CPU的数据处理和与外部设备交换信息这两项操作同时进行。每个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可