计算机系统原理

1、计算机系统原理计算机系统原理 国防科技大学计算机学院 唐玉华 教授 E-mail： Tel: 73640-602（O）2 课程研究内容课程研究内容 n基本结构基本结构 Basic Architecture n工作原理工作原理Principle n设计方法设计方法 Layout Methods 3 与其它课程的关系与其它课程的关系 4 课程课程学习的意义学习的意义 5 课程学习方法课程学习方法 6 参考文献参考文献 7 课程考核方法课程考核方法 8 第一章第一章 概述概述 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 1.3 程

2、序在计算机中的执行程序在计算机中的执行 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 9 本讲简要说明本讲简要说明 p目的目的与要求：了解计算机的发展历史，熟悉与要求：了解计算机的发展历史，熟悉 计算机，尤其是微机的基本结构计算机，尤其是微机的基本结构 p授课重点：时代划分，硬件组成，层次结构授课重点：时代划分，硬件组成，层次结构 p授课难点：存储程序原理，硬件结构授课难点：存储程序原理，硬件结构 p阅读章节：第阅读章节：第1.1节和节和1.2节节 p作业安排：作业安排：P39 1.3、1.5、1.6题题 10 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 p

3、 工具扩展人类探索自然界的功能工具扩展人类探索自然界的功能 n 劳动创造工具劳动创造工具 n 机械工具扩展四肢的功能机械工具扩展四肢的功能 n 测试工具扩展五官的功能测试工具扩展五官的功能 n 计算工具扩展大脑的功能计算工具扩展大脑的功能 11 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 手工计算阶段手工计算阶段 n 记数工具：穴石、绳结、刻痕记数工具：穴石、绳结、刻痕 n 公元前五六世纪就出现了算盘公元前五六世纪就出现了算盘 n 1621年，计算尺问世年，计算尺问世 12 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 机械计算阶段机械计算阶段 n 1642年，法国人年，法国

4、人Pascal发明了机械计算器发明了机械计算器 n 1812年，英国人年，英国人Babbage提出计算过程自动提出计算过程自动 化的概念，并设计了第一台通用自动时序控化的概念，并设计了第一台通用自动时序控 制机械式计算机制机械式计算机 13 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 电子计算阶段电子计算阶段 n 1939年，美国依阿华大学教授年，美国依阿华大学教授V.Atanasoff首首 次试用电子元件按二进制原理制造了一台电次试用电子元件按二进制原理制造了一台电 子管计算机子管计算机 n 1942年，又制造出了一台电子管计算机年，又制造出了一台电子管计算机ABC 14 1.1.

5、1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 电子计算阶段电子计算阶段 n 1945年，第一台电子数字计算机年，第一台电子数字计算机ENIAC诞生诞生 15 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 电子计算阶段电子计算阶段 n 1949年，英国剑桥大学开发的年，英国剑桥大学开发的EDSAC是世界是世界 上第一台通用电子数字计算机上第一台通用电子数字计算机 16 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 时代划分时代划分 n 四个时代，电子器件成为划分的重要标志四个时代，电子器件成为划分的重要标志 n 第一代（第一代（20世纪世纪40年代中期到年代中期到50年代末期）年

6、代末期） 以电子管作为逻辑元件以电子管作为逻辑元件 用阴极射线管、声汞延迟线、磁带和磁鼓等作为主用阴极射线管、声汞延迟线、磁带和磁鼓等作为主 存储器存储器 数据主要是定点表示，用机器数据主要是定点表示，用机器/汇编语言编写程序汇编语言编写程序 代表：代表：ENIAC和和EDSAC 17 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 时代划分时代划分 n 第二代计算机（第二代计算机（20世纪世纪50年代中、后期到年代中、后期到60 年代中期）年代中期） 以晶体管作为逻辑元件以晶体管作为逻辑元件 磁芯作为主存储器元件磁芯作为主存储器元件 引入浮点运算硬件引入浮点运算硬件 高级语言高级语言F

7、ORTRAN、COBOL和和ALGOL出现出现 代表：代表：IBM 7040，国产，国产441B机等机等 18 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 时代划分时代划分 n 第三代计算机（第三代计算机（20世纪世纪60年代中期到年代中期到70年代年代 中期）中期） 主要采用小规模集成电路和中规模集成电路主要采用小规模集成电路和中规模集成电路 半导体存储器逐渐取代磁蕊存储器半导体存储器逐渐取代磁蕊存储器 引进了多道程序和并行处理等新的技术引进了多道程序和并行处理等新的技术 代表：代表：IBM360系列、系列、CDC6600/7600系列和系列和CYBER 系列，国产系列，国产150

8、、151、DJS-2000系列和系列和DJS-1000系系 列等列等 19 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 时代划分时代划分 n 第四代计算机（第四代计算机（20世纪世纪70年代中期至今）年代中期至今） 采用大规模集成电路和超大规模集成电路采用大规模集成电路和超大规模集成电路 并行处理、多机系统、分布式计算机、计算机网络并行处理、多机系统、分布式计算机、计算机网络 等技术迅速发展等技术迅速发展 各种高级语言、分布式操作系统、数据库技术竟相各种高级语言、分布式操作系统、数据库技术竟相 争艳争艳 20 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 时代划分时代划分 年

9、代年代基本器件基本器件应用范围应用范围 19461958电子管电子管科研院校进行科学运算科研院校进行科学运算 19581964晶体管晶体管 工矿企业、机关事务进行工矿企业、机关事务进行 数据处理工业控制数据处理工业控制 19641971集成电路集成电路 出现了小型机出现了小型机 1971至今至今 LSI、 VLSI 深入到社会的各个领域，深入到社会的各个领域， 出现了微机出现了微机 21 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 p 摩尔定律摩尔定律 n 由由Intel公司的缔造者之一公司的缔造者之一Gordon Moore于于 1965年提出年提出 n 定律内容：定律内容：“在每在每

10、18个月内，集成电路的性能个月内，集成电路的性能 翻一番，集成晶体管的数量翻一番，集成电路翻一番，集成晶体管的数量翻一番，集成电路 的价格下降一半的价格下降一半” 22 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 23 p 按规模分类按规模分类 n 巨型机巨型机 n 大中型机大中型机 n 超级小型计算机（超级小型计算机（super minicomputer） n 小巨型计算机（小巨型计算机（mini supercomputer） n 小型计算机（小型计算机（minicomputer） n 微型计算机（微型计算机（marcocomputer） 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发

11、展 24 p世界最快的超级计算机世界最快的超级计算机 1) IBM: BlueGene/L 131072个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 280.60 TF (1012) 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 25 p世界最快的超级计算机世界最快的超级计算机 2) Cray: Red Storm 26544个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 101.40TF (1012) 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 26 p世界最快的超级计算机世界最快的超级计算机 n日本地球模拟器，日本地球模拟器，20022004五届榜首五届榜首 5 120个个 CPU 最大平均速

12、度最大平均速度 35.86 TF (1012) 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 27 1.1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 p 什么是微机？什么是微机？ n 规模最小的计算机规模最小的计算机 n 定义定义：以微处理器为基础，配以读写存储器：以微处理器为基础，配以读写存储器 (RAM)，只读存储器（，只读存储器（ROM）及输入输出）及输入输出 （I/O）设备和其他相应配套电路构成的计算）设备和其他相应配套电路构成的计算 机系统机系统 n 特点：体积小，可靠性高、价格低、功耗小、特点：体积小，可靠性高、价格低、功耗小、 更新速度快更新速度快 n 分类：单片机、单板机、分类

13、：单片机、单板机、PC机机、工作站、网、工作站、网 络计算机、络计算机、笔记本电脑笔记本电脑等等 29 1.1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 p PC机的组成机的组成 n 包括：主机、显示器、键盘鼠标、外部存储器包括：主机、显示器、键盘鼠标、外部存储器 及其他外部设备及其他外部设备 30 1.1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 p PC机的组成机的组成 硬盘硬盘 电源电源 导线和电缆导线和电缆 软驱软驱 内存内存 微处理器（微处理器（CPU） 扩展卡扩展卡 扩展槽扩展槽 31 1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 p 微机的发展微机的发展 n 核心部件：核心部件：CPU n

14、以以Intel公司的公司的CPU为主线，分为五代为主线，分为五代 第一代：第一代：4位及低档位及低档8位微处理器位微处理器 第二代：中、低档第二代：中、低档8位微处理器位微处理器 第三代：高、中档第三代：高、中档8位微处理器位微处理器 第四代：第四代：16及低档及低档32位微处理器位微处理器 第五代：高档第五代：高档32位微处理器位微处理器 32 1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 pPC机的发展机的发展 产品型号产品型号推出年份推出年份主频主频晶体管晶体管(万万)最大主存最大主存 数据总线数据总线 宽度宽度 地址总线地址总线 宽度宽度 性能特点性能特点 40041971740K0.23

15、2048B412 45种指令，速度种指令，速度50 60KIPS（每秒千条指令）（每秒千条指令） 80081972800K0.3316KB81448种指令，速度种指令，速度8KIPS 808019742-3M0.6064KB81670多种指令，速度多种指令，速度600KIPS 808619784.77-10M2.91MB16202万种指令，速度万种指令，速度2.5MIPS 8018619828-16M41MB1620 在在8086基础上增加基础上增加DMA和和 三级中断三级中断 8028619828-12.5M13.416MB1624 在在80186基础上增加基础上增加23种指种指 令，速度令

16、，速度4MIPS 80386DX198516-33M27.54GB3232 增加虚拟增加虚拟86模式，速度模式，速度6- 12MIPS 33 1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 pPC机的发展机的发展 产品型号产品型号推出年份推出年份主频主频晶体管晶体管(万万)最大主存最大主存 数据总数据总 线宽度线宽度 地址总地址总 线宽度线宽度 性能特点性能特点 80386SL198816-20M27.532MB1625低功耗面向便携式推出低功耗面向便携式推出 80486DX198925-50M1204GB3232 增加增加Cache和和80387，速度可，速度可 达达50MIPS 80486SL1

17、99220-25M1204GB3232低功耗面向便携的低功耗面向便携的80486 Pentium199360-233M3204GB32/6432 增加片内增加片内1级级Cache,速度达速度达 200MIPS Pentium Pro 1995133-200M55064GB32/6436 增加片内增加片内2级级Cache，速度达，速度达 200MIPS Pentium1997233-450M75064GB32/6436 增加专用增加专用MMX的寄存器，采的寄存器，采 用双总线结构用双总线结构 Pentium1999400M-1.4G95064GB32/6436增加实现增加实现SSE的新指令集硬件

18、的新指令集硬件 Pentium20001.5-3.66G420064GB32/6436 增加实现增加实现SSE2新指令集硬件；新指令集硬件； 采用采用NetBurst微结构微结构 34 1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 p 笔记本电脑的发展笔记本电脑的发展 n 1982年年11月，月，Compaq推出第一台推出第一台IBM兼容手兼容手 提计算机，重约提计算机，重约14公斤），采用公斤），采用4.77Mhz的的 Intel 8088处理器，处理器，128KB RAM，一个，一个320KB 的软盘驱动器，一个的软盘驱动器，一个9英寸的黑白显示器英寸的黑白显示器 n 世界上第一台真正意义上的

19、笔记本电脑是由世界上第一台真正意义上的笔记本电脑是由 日本的东芝（日本的东芝（TOSHIBA） 公司于公司于1985年推出一款名年推出一款名 为为T1100的产品的产品 35 1.2 微机的出现与发展微机的出现与发展 p笔记本电脑的笔记本电脑的发展发展 n 1990年第一台彩色显示屏笔记本电脑问世，年第一台彩色显示屏笔记本电脑问世， 产品型号为东芝产品型号为东芝T5200C n 1991，第一台商业上可用的、配置彩色，第一台商业上可用的、配置彩色TFT显显 示屏的笔记本电脑，产品型号为示屏的笔记本电脑，产品型号为T3200SXC n 1989，intel推出了推出了386SL低功耗低功耗CPU

20、，这是历，这是历 史上第一款笔记本电脑专用史上第一款笔记本电脑专用CPU n 19941997，Intel先后为笔记本开发了先后为笔记本开发了 Voltage Reduction、Clock Gating、Quick Start等等CPU专用技术，并在专用技术，并在1999年开发了集年开发了集 以上三种技术的以上三种技术的Speed Step技术技术 36 1.1.3 软件和网络技术的兴起软件和网络技术的兴起 p 早期：采用机器语言（即机器指令）编早期：采用机器语言（即机器指令）编 写程序写程序 p 20世纪世纪50年代：形成了符号语言和汇编年代：形成了符号语言和汇编 语言语言 p 在汇编语言

21、之后又出现了面向问题的高在汇编语言之后又出现了面向问题的高 级语言，从此软件开始兴起级语言，从此软件开始兴起 37 1.1.3 软件和网络技术的兴起软件和网络技术的兴起 p 高级语言的发展阶段高级语言的发展阶段 n 初级阶段：初级阶段：1954问世的问世的FORTRAN为代表为代表 n 第二阶段：结构化程序设计，第二阶段：结构化程序设计，1968年问世年问世 的的PASCAL语言为代表语言为代表 n 第三阶段：面向对象程序设计，第三阶段：面向对象程序设计，C+和和 Java为代表为代表 38 p存储程序思想存储程序思想 n计算器与计算机计算器与计算机 计算器计算器 输入输入输出输出 4 + 5

22、 = 9 4520 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 39 p存储程序思想存储程序思想 n诸如诸如“+”，“=”这些操作就是指令这些操作就是指令 n控制器是根据指令来控制其它部件执行控制器是根据指令来控制其它部件执行 n程序就是一个指令的有序集合程序就是一个指令的有序集合 n在计算机中，程序是被存储在存储器中的在计算机中，程序是被存储在存储器中的 计算机计算机 4+5 45 9 20 4 + 5 = 9 4520 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 40 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 存储程序原理存储程序原理 n 由由1946年年6月，美籍匈牙利数学家

23、冯月，美籍匈牙利数学家冯.诺伊诺伊 曼（曼（Von Neumann）提出）提出 n 原理表述原理表述 计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好，计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好， 用以描述计算机解题过程的程序如同数据一样，用以描述计算机解题过程的程序如同数据一样， 采用二进制形式存储在机器中，计算机在工作时采用二进制形式存储在机器中，计算机在工作时 自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行 41 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 五大功能五大功能 n 数据传送功能数据传送功能 n 数据存储功能数据存储功能 n 数据处理功能数据处理

24、功能 n 操作控制功能操作控制功能 n 操作判断功能操作判断功能 数据数据 传输传输 控制控制 装置装置 数据数据 处理处理 数据数据 存储存储 数据源数据源 42 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 现代计算机软硬件组成现代计算机软硬件组成 计计 算算 机机 系系 统统 硬件硬件 软件软件 主机主机 外部设备外部设备 系统软件系统软件 应用软件应用软件 中央处理单元中央处理单元 内部存储器内部存储器 外部存储器外部存储器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序 系统服务程序系统服务程序 数据库管理系统数据库管理系统 各种用户程序各种用户程

25、序 专用软件专用软件 通用软件通用软件 43 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 硬件定义硬件定义 n 组成计算机的所有电子器件和机电装置的组成计算机的所有电子器件和机电装置的 总称总称 n 构成计算机的物质基础构成计算机的物质基础 n 由运算器、控制器、存储器、输入设备、由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备以及将它们联结为有机整体的总输出设备以及将它们联结为有机整体的总 线构成线构成 44 p 经典冯经典冯.诺依曼计算机框架诺依曼计算机框架 控制流控制流 数据流数据流 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 运算器运算器 ALU 输出设备输出设备 存储器存储器

26、控制器控制器 输入设备输入设备 将信息转换成机将信息转换成机 器能识别的形式器能识别的形式 存放数据存放数据 和程序和程序 将结果转换成将结果转换成 人们熟悉的形式人们熟悉的形式 算术运算算术运算 逻辑运算逻辑运算 指挥程序指挥程序 运行运行 45 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 软件定义软件定义 n 电子计算机程序及运用数据处理系统所必电子计算机程序及运用数据处理系统所必 需的手续、规则、文件的总称需的手续、规则、文件的总称 n 用户与硬件之间的接口界面用户与硬件之间的接口界面 n 计算机系统的智慧与灵魂计算机系统的智慧与灵魂 46 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构

27、组成 p 软件组成软件组成 n 系统软件系统软件 为实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等为实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等 功能而提供给用户使用的软件；功能而提供给用户使用的软件； 含操作系统、语言处理系统、数据库系统、分布含操作系统、语言处理系统、数据库系统、分布 式软件、网络软件、人机交互软件等。式软件、网络软件、人机交互软件等。 n 应用软件应用软件 包括不同软件公司开发的开源软件和商业软件。包括不同软件公司开发的开源软件和商业软件。 47 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 计算机系统的壳层结构计算机系统的壳层结构 器器 程程 序序 它它 其其 程程 语语 用

28、用 系系 问问 语语 言言 处处 理理 统统 软软 件件 面面 硬硬核核 微微程程序序 机机 语语 言言 序序 汇汇 编编 语语 言言 程程 序序 操操 系系 令令 作作 指指 统统 统统 系系 户户 的的 程程 向向 （ 用用 ） 题题 应应 序序 言言 用用户户任任务务 用用户户任任务务 用用户户任任务务 用用户户任任务务 48 1.2计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 程序员角度的层次结构程序员角度的层次结构 应用语言模拟机应用语言模拟机 高级语言模拟机高级语言模拟机 汇编语言模拟机汇编语言模拟机 机器语言级机器语言级 微程序和系统硬件微程序和系统硬件1 级级 2 级级 3 级级

29、4 级级 5 级级 49 第一章第一章 概述概述 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 1.2 计算机系统结构组成计算机系统结构组成 1.3 程序在计算机中的执行程序在计算机中的执行 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 50 本讲简要说明本讲简要说明 p目的与要求：掌握程序在计算机中如何调目的与要求：掌握程序在计算机中如何调 度运行，了解计算机性能评价指标以及计度运行，了解计算机性能评价指标以及计 算机的应用和发展情况算机的应用和发展情况 p授课重点：运行过程、评价指标授课重点：运行过程、评价指标 p授课难点：程序运行过程，授课难点：程序运行

30、过程，Amdahl定律定律 p阅读章节：第阅读章节：第1.3节、节、1.4和和1.5节节 p作业安排：作业安排：P39 1.7、1.8题题 51 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 n 计算机硬件组成计算机硬件组成 运算器运算器 ALU 输出电路输出电路 存储器存储器 控制器控制器 输入电路输入电路 52 1.2计算机系统结构组成计算机系统结构组成 p 程序员角度的层次结构程序员角度的层次结构 应用语言模拟机应用语言模拟机 高级语言模拟机高级语言模拟机 汇编语言模拟机汇编语言模拟机 机器语言级机器语言级 微程序和系统硬件微程序和系统硬件1 级级 2 级级 3 级级 4 级级

31、5 级级 53 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 例例1.1：计算整数：计算整数1200和和3400的和的和 分析：分析： 为了使用计算机求解上述问题，需要将自己对该问为了使用计算机求解上述问题，需要将自己对该问 题的求解要求通过题的求解要求通过输入设备输入设备告诉计算机，计算机调告诉计算机，计算机调 用相应的用相应的运算部件运算部件对问题进行求解，并将最后的计对问题进行求解，并将最后的计 算机结果从算机结果从输出设备输出设备输出输出 54 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 p问题的自然语言描述问题的自然语言描述 n步骤步骤1：用字符用字符a、b分别表示

32、整数分别表示整数1200和和3400，即，即 a=1200 ， b=3400 n步骤步骤2：命令计算机执行加法运算命令计算机执行加法运算a+b，得到运算结，得到运算结 果果c n步骤步骤3：将运算结果将运算结果c从显示屏幕输出从显示屏幕输出 n分析：分析： 使用自然语言，用户容易记忆和理解问题及其求解步骤，但使用自然语言，用户容易记忆和理解问题及其求解步骤，但 机器无法明白其意思机器无法明白其意思 使用机器语言，计算机容易理解问题及其步骤，但用户不容使用机器语言，计算机容易理解问题及其步骤，但用户不容 易记忆和理解易记忆和理解 55 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 p问题

33、的高级语言描述问题的高级语言描述 n高级语言：高级语言：包括包括C语言、语言、Pascal、Java、Basic等等 例1.1的C语言描述 56 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 n高级语言转换成汇编语言高级语言转换成汇编语言 ngcc -S sum sum.c 57 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 n汇编语言编译链接成机器语言汇编语言编译链接成机器语言 主存地主存地 址址 指令或数据指令或数据说明说明 00A0010100B00 取数：取数：R1a 00A0212100B02 加法：加法：R1a + b 00A0414100B04 存数：（存数：（0

34、0B04）R1(y的值的值) 00A06FF000000停机停机 00B00a 初始数据区初始数据区 00B02b 00B04c结果数据结果数据 58 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 p 奔腾机器的硬件模型奔腾机器的硬件模型 59 n 从键盘读取从键盘读取sum命令命令 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 60 n 从磁盘加载可执行文件到主存从磁盘加载可执行文件到主存 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 61 n 从存储器写输出串到显示器从存储器写输出串到显示器 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 62 p计算机系统的

35、分层视图计算机系统的分层视图 应用程序应用程序 操作系统操作系统 处理器处理器主存储器主存储器I/O设备设备 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 63 1.3 程序在计算机系统中运行程序在计算机系统中运行 p 操作系统和服务程序的作用操作系统和服务程序的作用 n 资源管理资源管理 不需要关心硬件控制细节不需要关心硬件控制细节 提高软硬件资源的利用率提高软硬件资源的利用率 n 软件运行环境软件运行环境 高级语言高级语言库函数，库函数，printf等等 编译链接程序等编译链接程序等 n 人机界面人机界面 友好的命令输入方式友好的命令输入方式 图形化显示图形化显示 64 1.4 计

36、算机性能评价计算机性能评价 p 纯硬件角度分析：计算机性能受体系结构、纯硬件角度分析：计算机性能受体系结构、 指令系统、硬件组成等多方面的因素影响指令系统、硬件组成等多方面的因素影响 p 影响系统性能的硬件技术指标影响系统性能的硬件技术指标 1）主频）主频 n 定义：定义：CPU的工作节拍是由时钟（或称程序计的工作节拍是由时钟（或称程序计 数器）数器）CP控制的，时钟不断产生固定频率的控制的，时钟不断产生固定频率的 时钟脉冲，这个时钟的频率就是时钟脉冲，这个时钟的频率就是CPU的主频的主频 n 主频越高，主频越高，CPU的工作节拍就越快，运算速度的工作节拍就越快，运算速度 就越高就越高 n 主

37、频通常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲主频通常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲 数来表示，单位一般为数来表示，单位一般为MHz 、 GHz 65 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 p 影响系统性能的硬件技术指标影响系统性能的硬件技术指标 2）运算速度）运算速度 n 定义：计算机运算速度是指每秒钟所能执行的定义：计算机运算速度是指每秒钟所能执行的 指令条数，其计量单位为指令条数，其计量单位为MIPS（百万条指令（百万条指令 每秒）或者每秒）或者MFLOPS（百万次浮点运算每秒）（百万次浮点运算每秒） n 几种计算方法几种计算方法 a) 吉布森混合法吉布森混合法: 从应用课题程序中统计各类指令

38、所占百分比，然后从应用课题程序中统计各类指令所占百分比，然后 用指令混合比计算指令的平均执行速度用指令混合比计算指令的平均执行速度 b) 计算各种指令的执行速度计算各种指令的执行速度 c) 计算典型程序的运算速度计算典型程序的运算速度 d) 模型分析和模拟等其他方法模型分析和模拟等其他方法 66 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 Rank instructionInteger Average Percent total executed 1load22% 2conditional branch20% 3compare16% 4store12% 5add8% 6and6% 7sub5% 8m

39、ove register-register4% 9call1% 10return1% Total96% Simple instructions dominate instruction frequency 67 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 p 影响系统性能的硬件技术指标影响系统性能的硬件技术指标 3）运算精度）运算精度 n 通常用计算机能直接处理的二进制信息位数通常用计算机能直接处理的二进制信息位数 来衡量来衡量 n 一般和一般和CPU中存储数据寄存器的位数有关，中存储数据寄存器的位数有关， 位数越多，精度越高位数越多，精度越高 n 参与运算操作数的基本位数称为基本字长参与运算操作数

40、的基本位数称为基本字长 ， 早期的微型计算机字长多为早期的微型计算机字长多为8位和位和16位，现在位，现在 多为多为32位；大中型计算机多为位；大中型计算机多为32位或位或64位位 68 p 影响系统性能的硬件技术指标影响系统性能的硬件技术指标 4) 存储容量存储容量 n 主存越大，处理问题的速度越快主存越大，处理问题的速度越快 n 与外存交换次数越少，效率越高与外存交换次数越少，效率越高 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 213 = 1KB 如：如： 主存容量主存容量 辅存容量辅存容量 存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长 字节数字节数 如：如：MAR MDR 容量容量 10 8

41、1K = 210 1G = 230 1K 8位位 字节数字节数 80GB 69 p影响系统性能的硬件技术指标影响系统性能的硬件技术指标 5)存取周期存取周期 n对主存储器连续两次访问所允许的最小时间间隔对主存储器连续两次访问所允许的最小时间间隔 n存取周期愈小，系统性能愈高存取周期愈小，系统性能愈高 n存取周期与存储器的类型有关存取周期与存储器的类型有关 n存取周期与总线频率有关存取周期与总线频率有关 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 70 p 性能指标性能指标 n 综合考虑各种因素综合考虑各种因素 n 特别注意运算速度的评价方法特别注意运算速度的评价方法 n 是否还有别的评价要素？是否还

42、有别的评价要素？ n 研究生的研究生的性能评价性能评价和和模型模拟模型模拟 1.4 计算机性能评价计算机性能评价 71 计算机性能随时间的变化计算机性能随时间的变化 72 p 影响计算机推广的因素：成本和价格影响计算机推广的因素：成本和价格 p 性价比性价比 n 选购计算机时主要考虑的指标选购计算机时主要考虑的指标 n 性价比越高，说明同样价格的计算机性能也性价比越高，说明同样价格的计算机性能也 越好越好 1.4 计算机性能评价准则计算机性能评价准则 73 p 性价比涉及价格和性能两个方面性价比涉及价格和性能两个方面 p 价格由市场决定价格由市场决定 p 性能与测试者的角度有关性能与测试者的角

43、度有关 n 计算机用户计算机用户 运行时间少，机器快运行时间少，机器快 响应时间：从事件开始到结束所用的时间响应时间：从事件开始到结束所用的时间 n 计算中心管理员计算中心管理员 完成任务多，机器快完成任务多，机器快 流量：单位时间内所能完成的工作量流量：单位时间内所能完成的工作量 1.4 计算机性能评价准则计算机性能评价准则 74 p 用户对两台计算机的比较用户对两台计算机的比较 n X比比Y 快：对于给定的任务，快：对于给定的任务， X的响应时间的响应时间 比比Y少。通常少。通常“X的性能是的性能是Y的的n倍倍”是指：是指： 1.4 计算机性能评价准则计算机性能评价准则 n X Y 响应时

44、间 响应时间 Y X Y Y 1 1 性能 性能 性能 性能 响应时间 响应时间X X n 即：即： 75 1.4 计算机性能评价准则计算机性能评价准则 p无论是流量还是响应时间，都是以时间来无论是流量还是响应时间，都是以时间来 衡量的衡量的 p相同点是都认为能够以最短时间完成指定相同点是都认为能够以最短时间完成指定 任务的计算机最快任务的计算机最快 p不同点是响应时间通常针对单任务，而流不同点是响应时间通常针对单任务，而流 量往往量往往针对多任务针对多任务 p注意：测试的标准需相同，通常采用基于注意：测试的标准需相同，通常采用基于 UNIX的的SPEC，主要的版本有，主要的版本有SPEC 8

45、9、 SPEC 92、SPEC 95和和SPEC 2000等等 76 1.4 计算机性能评价准则计算机性能评价准则 p设计者对性能的分析：设计者对性能的分析：Amdahl定律定律 n基本思想：加快某部件执行速度所获得的系统基本思想：加快某部件执行速度所获得的系统 性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要 性性 改进前 改进后 系统性能 系统性能 系统加速比 改进后 改进前 总执行时间 总执行时间 系统加速比 77 1.4 计算机性能评价准则计算机性能评价准则 pAmdahl定律定律 p说明：如果只针对整个任务的一部分进行说明：如果只针对整个任务的一部

46、分进行 优化，那么所获得的加速比不大于优化，那么所获得的加速比不大于1/（1-可可 改进比例）改进比例） n对计算机中的一部分做性能改进对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多则改进越多， 系统获得的效果越少系统获得的效果越少 部件加速比 可改进比例 可改进比例 总执行时间 总执行时间 系统加速比 改进后 改进前 1 1 78 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p 计算机分类计算机分类 n按规模按规模 巨型机、大型机、小型机和微型计算机巨型机、大型机、小型机和微型计算机 n按用途按用途 通用计算机和专用计算机通用计算机和专用计算机 n信息存储方式信息存储方式 模拟计算机、数字计算机

47、和数字模拟混合计算机模拟计算机、数字计算机和数字模拟混合计算机 79 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 1) 科学计算科学计算 n天文学、量子化学、空气动力学和核物理学天文学、量子化学、空气动力学和核物理学 n数学、力学、晶体结构分析、石油勘探、桥数学、力学、晶体结构分析、石油勘探、桥 梁设计、建筑、土木工程设计等梁设计、建筑、土木工程设计等 n计算量大和数值变化范围大计算量大和数值变化范围大 例如：预报一个月，乃至一年的气候变化，需例如：预报一个月，乃至一年的气候变化，需 100MIPS或更高的计算机才能满足！或更高的计算机才能满足！ 80 1.5 计

48、算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 2) 数据处理数据处理 n政府机关公文、报表和档案政府机关公文、报表和档案 n大银行、大公司、大企业的财务、人事、物大银行、大公司、大企业的财务、人事、物 料，生产管理等料，生产管理等 n计算机帮助进行收集、存储、整理、检索、计算机帮助进行收集、存储、整理、检索、 统计、修改、增删等操作，并由此获得某种统计、修改、增删等操作，并由此获得某种 决策数据或趋势，供各级决策指挥者参考决策数据或趋势，供各级决策指挥者参考 81 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 3) 工业控制工业控制 n早期：各种传

49、感器获得的各种物理信号经转早期：各种传感器获得的各种物理信号经转 换为可测控的数据信号后，再经计算机运算，换为可测控的数据信号后，再经计算机运算， 根据偏差，驱动执行结构来调整，达到控制根据偏差，驱动执行结构来调整，达到控制 的目的的目的 n新型的工业自动控制系统以标准的工业计算新型的工业自动控制系统以标准的工业计算 机软、硬件平台构成集成系统，更具适应性机软、硬件平台构成集成系统，更具适应性 和扩展性和扩展性 n此外，导弹的发射及飞行轨道的计算控制、此外，导弹的发射及飞行轨道的计算控制、 先进的防空系统等现代化军事设施也离不开先进的防空系统等现代化军事设施也离不开 计算机计算机 82 1.5

50、 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 4) 办公自动化和管理信息系统办公自动化和管理信息系统 n替代替代“笔、墨、纸、砚笔、墨、纸、砚”“”“文房四宝文房四宝”及办及办 公人员的部分脑、体力劳动公人员的部分脑、体力劳动 n企业建立一个管理信息系统，对内完成企业建立一个管理信息系统，对内完成 Internet网的建立，对外实现与网的建立，对外实现与Internet相连。相连。 通过外部可以迅速了解市场需求和展开全球通过外部可以迅速了解市场需求和展开全球 销售活动，对内可以销售活动，对内可以实现物资采购、生产调实现物资采购、生产调 度、能耗控制、质量监控等度、能耗控制

51、、质量监控等 83 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 5) CAD/CAM/CIMS n计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design） n计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing） n计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS,Computer Integrated Manufacturing Systems) 84 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 6) 多媒体技术多媒体技术 n多媒体：对各种媒体（如文字、图形、影像、多媒体：对各种媒体（如文字、图形、影像、 音频、视频、动画等）的采集、传输、转换、音频、视频、动画等）的采集、传输、转换、 编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为 文字、图形、动画、音响、影像等视听信息文字、图形、动画、音响、影像等视听信息 而有机合成的新媒体而有机合成的新媒体 85 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展 p计算机的应用计算机的应用 7) 人工智能人工智能 n模式识别模式识别 n语音识别语音识别 n专家系统专家系统 n机器人制造机器人制造 86 1.5 计算