第一章 计算机系统概述

1、华北电力大学计算机系华北电力大学计算机系计算机组成与结构第一章第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构学习目的学习目的n了解计算机的组成n五大组成部件n掌握计算机的运行原理n计算机为什么能执行高级语言程序n掌握现代计算机中的一些核心技术n流水、Cache、并行n培养设计计算机的技能n提高编程能力n成为计算机专家、计算机科学家第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构主要教学内容主要教学内容n运算器的功能、组成和基本运行原理n控制器的功能、组成和运行原理n存储器及层次存储器系统n输入/输出设备和总线n输入输出系统第一章第一章 计算

2、机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构学习方法学习方法n课堂讲授n阅读参考资料n思考n完成实验n习题和实验报告n讨论和总结n考试第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构n考勤+课堂表现n作业n报告n最终考试n最终成绩=平时成绩+卷面成绩第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构n唐朔飞. 计算机组成原理. 高等教育出版社n王 诚. 计算机组成与系统结构. 清华大学出版n白中英. 计算机组成原理. 科学出版社第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一章结构第一章结构1.4 1.

3、4 计算机系统的性能指标与评价标准计算机系统的性能指标与评价标准1.3 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2 1.2 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成1.1 1.1 计算机的发展计算机的发展第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.1 1.1 计算机的发展计算机的发展计算机的发展历史计算机的发展历史 1.1.1 计算机的应用计算机的应用1.1.3计算机的发展趋势计算机的发展趋势 1.1.2 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构计算机的发展历史计算机的发展历史第一代电子管计算机（19461957）

4、电子管：在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，以获得信号放大或振荡的电子器件。 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一代计算机第一代计算机n第一台电子计算机（通用可编程序）n18800电子管n30吨n150平方米n150kwn5000次十进制加法/秒1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )第一台电子计算机第一台电子计算机ENIACENIAC第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机

5、组成与结构计算机组成与结构ENIACENIAC第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构ENIACENIAC第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构ENIACENIAC第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一代计算机第一代计算机为了改进程序的输入方式：为了改进程序的输入方式： 美国数学家冯美国数学家冯.诺依曼，提出诺依曼，提出二进制二进制表达方式表达方式和和存储程序控制存储程序控制计算机构想。提出并描述一计算机构想。提出并描述一个计算机模型个计算机模型EDVAC Electronic Dis

6、crete Variable Automatic Computer ENIAC的特点：的特点：十进制表示十进制表示 程序用插线开关实现程序用插线开关实现EDVAC直到直到1952年才调试成功年才调试成功第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一代计算机第一代计算机 1953年，年，IBM公司推出了首台存储程公司推出了首台存储程序的计算机序的计算机701，1955年又推出了年又推出了702机，机，使之更适用于科学计算和商业应用，后使之更适用于科学计算和商业应用，后来来形成了形成了700/00/7000系列，奠定了系列，奠定了IBM成为计成为计算机制造商的绝对权

7、威地位。算机制造商的绝对权威地位。 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构现代计算机之父现代计算机之父Von Neumann（19031957）Von Neumann 结构的计算机结构的计算机人工智能之父人工智能之父Alan Turing（19121954）第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一代计算机第一代计算机中国于中国于1958年研制成第一台电子计算机年研制成第一台电子计算机第一台第一台Von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结

8、构第二代计算机第二代计算机第二代晶体管计算机（19581964）n1947年在年在Bell实验室成功地用半导体硅作基片，制成实验室成功地用半导体硅作基片，制成了第一个晶体管，它的小体积、低耗电以及载流子高速了第一个晶体管，它的小体积、低耗电以及载流子高速运行的特点，使真空管望尘莫及。运行的特点，使真空管望尘莫及。n代表性的计算机是代表性的计算机是IBM公司的公司的IBM-7094机和机和CDC公司公司的的CDC1604机。机。 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构IBM-7094机机第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构

9、第三代计算机第三代计算机 第三代集成电路计算机（19651971） 典型的代表为典型的代表为IBM的的IBM-360和和DEC的的PDP-8 IBM System-360 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构IBM System-360 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第四代计算机第四代计算机第四代大规模集成电路计算机（1972）l 以大规模集成电路以大规模集成电路LSI（Large-Scale Integration）构成计算机的主要功能部件构成计算机的主要功能部件l 主存储器采用集成度很高的半导体存储器主存储器

10、采用集成度很高的半导体存储器l 运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算l 软件方面，出现了数据库系统、分布式操作系统等软件方面，出现了数据库系统、分布式操作系统等 计算机已成为一门独立的学科而迅猛发展着，并计算机已成为一门独立的学科而迅猛发展着，并且正在影响改变着人类的生活方式。且正在影响改变着人类的生活方式。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在 10 000 000 大规模

11、大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度（次速度（次/秒）秒） 硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构计算机的发展趋势计算机的发展趋势n 巨型化n 微型化n 网络化n 智能化第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构n超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要

12、的科学领域之一。n1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”。n超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。n1993年，德国曼海姆大学汉斯、埃里克等人发起创建了全球超级计算机TOP500排名榜。nTOP500已发展成为全世界最具权威的超级计算机排名榜，是衡量各国超级计算水平的最重要的参考依据。巨型化巨型化第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与

13、结构计算机组成与结构最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2015.06）1. 中国国防科学技术大学研制的中国国防科学技术大学研制的“天河二号天河二号”l以峰值计算速度以峰值计算速度每秒每秒5.49亿亿次亿亿次、持续计算速度、持续计算速度每秒每秒3.39亿亿次亿亿次双精度浮点运双精度浮点运算的优异性能位居榜首。算的优异性能位居榜首。 l由由170个机柜组成，包括个机柜组成，包括125个计算机柜、个计算机柜、8个服务机柜、个服务机柜、13个通信机柜和个通信机柜和24个个存储机柜，占地存储机柜，占地720平方米，内存总容量平方米，内存总容量1400万亿字节，存储总容量万亿字节，存储总容

14、量12400万万亿字节，最大运行功耗亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。兆瓦。 l有有16000个节点，每个节点部署了个节点，每个节点部署了两个两个英特尔英特尔Xeon IvyBridge及及三个三个Xeon Phi处理器，计算核心总数达处理器，计算核心总数达3120000个。个。 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2015.06）2.美国能源部橡树岭国家实验室的美国能源部橡树岭国家实验室的“泰坦泰坦”排名第二位排名第二位l泰坦使用泰坦使用261,632颗的颗的NVIDIA K20 x加速器核心，取得了持续

15、计算速度每秒加速器核心，取得了持续计算速度每秒1.76亿亿亿亿次次的记录。的记录。l泰坦是最节电的超级计算机，耗电泰坦是最节电的超级计算机，耗电8.21兆瓦，性能为兆瓦，性能为2143 Mflops/W。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2015.06）3.美国劳伦斯美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的利弗莫尔国家实验室的“红杉红杉”排名第三排名第三位位l持续运算速度为每秒持续运算速度为每秒1.72亿亿次亿亿次，其峰值运算速度达每秒，其峰值运算速度达每秒20132万亿次万亿次浮点计算。浮点计算。 lSequo

16、ia基于基于IBM蓝色基因蓝色基因/Q架构（架构（Blue Gene/Q），拥有），拥有96个机架，共个机架，共98304个计个计算节点、接近算节点、接近160万个处理器核心、内存容量万个处理器核心、内存容量1.6PB（1600TB）。）。l红杉也是名单上最节能的系统之一，共消耗红杉也是名单上最节能的系统之一，共消耗7.84兆瓦，提供兆瓦，提供2,031.6 MFLOPS / W。 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2015.06）4.富士通制造的日本超级计算机富士通制造的日本超级计算机“K”排名第四位排

17、名第四位l测试速度上升为每秒测试速度上升为每秒1.05亿亿次亿亿次，峰值为，峰值为 11280 万亿次万亿次。 l由由68544个个SPARC64 VIIIfx处理器组成，每个处理器均内置处理器组成，每个处理器均内置8个内核，总内核数量为个内核，总内核数量为548352个。个。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2015.06）5.美国超级计算机美国超级计算机“米粒米粒”排名第五排名第五l测试速度为每秒测试速度为每秒8162万亿次万亿次。 l目前安装在美国能源部所属的阿贡国家实验室。目前安装在美国能源部所属

18、的阿贡国家实验室。 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构全球超级计算机前五名的运算速度第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构n美国 231台n中国61台n英国 30台n法国 30台n德国 26台n日本 32台 2015全球超级计算机500强各国所占数量 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1975年，ATARI-8800微电脑问世1976年，苹果-I型微电脑诞生1979年，夏普公司宣布制成第一台手提式微电脑1982年，微电脑开始普及，大量进入学校和家庭微型化微型化& 计算机不

19、再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1975年年4月，美国月，美国MITS公司推出了世公司推出了世界上第一台微型计算界上第一台微型计算机机Altair8800（牛牛郎星）型电脑，郎星）型电脑，采用采用Intel发布的发布的8080 8位位CPU第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构Apple -I型电脑型电脑第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构Apple - III型电脑型电脑第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组

20、成与结构计算机组成与结构TOSHIBA在在1985年推出年推出T1100型笔记型计算机。型笔记型计算机。它采用它采用Intel 8086处理器，主频不到处理器，主频不到1MHz，512K内内存并带有存并带有9英寸的单色显示屏，没有硬盘。英寸的单色显示屏，没有硬盘。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构2004年，年，NEC用五根笔造就用五根笔造就PC电脑。电脑。五根笔分别为五根笔分别为虚拟屏幕投影机虚拟屏幕投影机、虚拟键盘投影机虚拟键盘投影机、微处理器微处理器、网络摄影机网络摄影机和和通讯装置通讯装置，笔座为充电器。，笔座为充电器。第一章第一章 计算机系统概

21、述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构微型化微型化第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品 （集成度）（集成度） 8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万万80286 16位位 1982年年 13.4 万万80386

22、32位位 1985年年 27.5 万万80486 32位位 1989年年 120.0 万万Pentium 64位（准）位（准） 1993年年 310.0 万万Pentium pro 64位（准）位（准） 1995年年 550.0 万万Pentium 64位（准）位（准） 1997年年 550.0 万以上万以上Pentium 64位（准）位（准） 1999年年 800.0 万以上万以上Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万万2007 年，芯片上可集成年，芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 晶体管晶体管 2010 年，芯片上可集成年，芯片上可集成 8 亿亿 晶体管晶体管 第一

23、章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构网络化网络化计算机网络：计算机网络：计算机技术与通信技术结合计算机技术与通信技术结合的产物。的产物。计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户数据和信息资源，网

24、络用户的通讯和合作。的通讯和合作。一种奇特的工具：一种奇特的工具：网络是基于全人类智慧的崭新网络是基于全人类智慧的崭新的生产工具，越用越有价值。的生产工具，越用越有价值。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构智能化智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械没有灵魂的机械来来”。 笛卡尔（笛卡尔（1637）人类第一个人类第一个“工业机器人工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的一头在纺织机上挑纱的“驴驴”（17421742年）年）第一代机器人第一代机器人机械手（机械手（19621962年出现）年出现）第二代机器

25、人第二代机器人具有具有“感觉感觉”的机器人的机器人第三代机器人第三代机器人装有启发式计算机的装有启发式计算机的“智能机器人智能机器人”DeepblueGarry Kasparov第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构计算机的应用计算机的应用第一章 n科学计算科学计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算n过程控制过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制n辅助设计辅助设计/分析分析/制造制造/教学教学 机械机械CAD，建筑，建筑CAD，CAE，CAM，CA

26、In数据处理数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化n智能模拟智能模拟 人工智能、专家系统、自学习人工智能、专家系统、自学习第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成第一章 硬件组成硬件组成存储器、运算器、控制器、输出设备和输入设备。计算机系统计算机系统软件组成软件组成系统软件和应用软件。计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 1.2.1 计算机系统的分类计算机系统的分类1.2.2第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结

27、构1.2.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 计算机的硬件组成第一章 运算器存储器控制器输入/输出设备完成算术运算和逻辑运算。运算的中间结果可暂存在运算器内。存放数据和程序，由存储单元组成。分为内存、外存和缓存。控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。转换人们熟悉的信息形式和机器能识别的信息形式。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 几种典型的计算机组成结构 典型的冯.诺依曼计算机结构第一章 典型的冯.诺依曼计算机结构框图 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算

28、机组成与结构1.2.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成它的特点可归结为：由运算器、存储器、控制器和输入输出设备五大部件组成。指令和数据均用二进制码表示且以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。指令在存储器内按顺序存放，通常顺序执行，在特定条件下可改变执行顺序。第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 以存储器为中心的计算机组成结构第一章 计算结果计算步骤和开始数据控制器输入设备输出设备存储器以存储器为中心的计算机结构框图运算器第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机

29、组成与结构1.2.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 现代计算机的组成结构nCPU：运算器和控制器，核心部件为ALU和CUn主存储器M.M CPU与M.M合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。nI/O设备第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 计算机系统的软件组成第一章 1系统软件系统软件系统程序，管理系统、系统程序，管理系统、监视服务、合理调度监视服务、合理调度系统资源。系统资源。包括标准包括标准程序库、语言处理程程序库、语言处理程序、操作系统、服务序、操作系统、服务性程序、数

30、据库管理性程序、数据库管理系统、网络软件等。系统、网络软件等。2应用软件应用软件应用软件又称为应用应用软件又称为应用程序，它是用户根据程序，它是用户根据任务需要所编制的各任务需要所编制的各种程序，种程序，是用户在各是用户在各自的行业中开发和使自的行业中开发和使用的各种程序用的各种程序。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.2 计算机系统的分类计算机系统的分类 计算机分类 按应用特点分类第一章 专用计算机针对某一特定应用领域或面向某种算法而研制的计算机。对指定的领域有较高的性价比；其它领域则低效。通用计算机针对多种应用领域或面向多种算法而研制的计算机。

31、有较复杂的软件及系统结构和较强的系统功能。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.2 计算机系统的分类计算机系统的分类 按性能特点分类第一章 性能、功能最强，数值计算能力和数据处理能力巨大。巨型机微型机大型机中型机小型机通用性最强、功能较高。有丰富的外设与通信接口和较强的I/O处理能力以及丰富的系统软件和应用程序包。有一定的外设与通信接口和较强操作系统；配有高级语言和汇编语言。性能价格比最好，价格最便宜，应用面最广。第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.2 计算机系统的分类计算机系统的分类 计算机系统结构的分

32、类 计算机系统结构的常用的分类方有Flynn分类法、冯氏分类法和Handler分类法。n冯氏分类法是利用最大并行度对计算机系统结构进行分类；nHandler分类法是根据并行度和流水线提出的另一种分类法，这种分类方法把计算机的硬件结构分成三个层次，并考虑它们的可并行流水处理程度。第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.2.2 计算机系统的分类计算机系统的分类Flynn分类法定义：指令流：机器执行的指令序列。数据流：由指令流调用的数据序列。多倍性：系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。按指令流和数据流的不同组织方式分类：

33、单指令流单数据流SISD单指令流多数据流SIMD多指令流单数据流MISD多指令流多数据流MIMD第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.3 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构：第一章 硬操作时硬操作时序序硬联硬联逻辑逻辑逻辑线路逻辑线路内核内核第第0级级硬联逻辑硬联逻辑控制信息控制信息状态信息状态信息硬件维护员硬件维护员设计员设计员机器指令机器指令时序时序微程序微程序控制控制寄存器寄存器传送门传送门第第1级级微程序微程序控制控制控制信息控制信息状态信息状态信息逻辑设计员逻辑设计员机器指令机器指令系统系统中央中央处理

34、机处理机机器机器程序程序第第2级级机器语言机器语言计算机计算机控制信息控制信息状态信息状态信息机器语言机器语言程序员程序员键盘命令键盘命令系统原语系统原语操作操作系统系统系统系统资源资源第第3级级操作系统操作系统控制信息控制信息状态信息状态信息操作员操作员汇编汇编语言语言汇编汇编程序程序运行运行程序程序第第4级级汇编语言汇编语言计算机计算机控制信息控制信息状态信息状态信息汇编语言汇编语言程序员程序员高级高级语言语言解释程序解释程序编译程序编译程序运行运行程序程序第第5级级高级语言高级语言计算机计算机控制信息控制信息状态信息状态信息高级语言高级语言程序员程序员应用应用语言语言应用应用程序程序信息

35、处理信息处理系统系统第第6级级应用程序应用程序控制信息控制信息状态信息状态信息用户用户特性： 软件与硬件在逻辑上的等价性 透明性第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构计算机系统的层次结构应用语言应用语言物理计算机（硬件）虚拟计算机（软件）高级语言高级语言汇编语言汇编语言系统原语系统原语机器指令系统机器指令系统机器指令时序机器指令时序硬操作时序硬操作时序第第1 1级级第第0 0级级第第2 2级级第第3 3级级第第4 4级级第第5 5级级第第6 6级级从语言功能层次划分第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构第第0 0级级由硬件

36、实现由硬件实现。第第1 1级级由微程序实现由微程序实现。第第2 2级级是传统指令系统（机器语言）机器。是传统指令系统（机器语言）机器。第第3 3级级是操作系统机器。是操作系统机器。操作系统是运行在第级上的解释程序操作系统是运行在第级上的解释程序第第4 4级级是汇编语言机器。是汇编语言机器。第第5 5级级是高级语言机器。是高级语言机器。第第6 6级级是应用语言机器。是应用语言机器。：第第0 0和第和第1 1级属于计算机组织与结构，第级属于计算机组织与结构，第3 3至第至第5 5级是系统软件，第级是系统软件，第6 6级是应用软件。级是应用软件。第第0 0级要求一定的数字逻辑基础；第级要求一定的数字

37、逻辑基础；第2 2级级涉及汇编语言程序设计的内容；第涉及汇编语言程序设计的内容；第3 3级与计算机系统结构密切级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。计算机系统的层次结构第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw$16, 0($)sw$15, 4($2)表示表示( Representation)的不同级别的不同级别temp = vk;vk = vk+1;vk+1 = temp;0000 1001 1100 0110 1010 11

38、11 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101高级语言程序高级语言程序汇编语言程序汇编语言程序机器语言程序机器语言程序控制信号描述控制信号描述编译器汇编器机器解释同一程序可以在不同复杂度级别进行表示第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.4 1.4 计算机系统的性能指标与评价标准计算机系统的性能指标与评价标准第一章 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标 1.4.1 计算机系统评价标准计算机系统评价标准1.4.2第一章第一章 计算机系统概述

39、计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.4.1 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标第一章 ( 1 )机器字长机器字长 CPU一次处理数据的位数 。与CPU寄存器位数有关，也会影响机器的运算速度。 ( 2 )存储容量存储容量 包括主存和辅存。前者指主存中存放二进制代码的总数，后者指系统中的外存储器容量。( 3 )运算速度运算速度 对速度的描述通常采用CPU时钟频率、每秒平均执行指令数、单独注明特定运算的时间等方式。 ( 4 )其它因素其它因素所配置的外围设备的性能及系统软件的配置等情况等。 硬件的技术指标：第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组

40、成与结构1.4.2 计算机系统评价标准计算机系统评价标准 性能评价& 时间是衡量性能的标准，时间越少性能越好。& 衡量机器性能的唯一固定而且可靠的标准就是真正执行程序的时间。第一章 MIPS1MFLOPS2用基准测试程序来测试评价机器的性能3综合基准测试程序4第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.4.2 计算机系统评价标准计算机系统评价标准 MIPS定义：MIPS=指令条数/执行时间106 =时钟频率/CPI106程序的执行时间：Te=指令条数/ MIPS106 缺陷：MIPS依赖指令集。在同一台机器上，因程序不同而变化。MIPS可能与性

41、能相反。第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.4.2 计算机系统评价标准计算机系统评价标准 MFLOPS定义：MFLOPS=程序中的浮点操作次数/执行时间106&MFLOPS取决于机器和程序两个方面，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。&其基于操作而非指令，所以它可以用来比较两种不同的机器。第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.4.2 计算机系统评价标准计算机系统评价标准 用基准测试程序来测试评价机器的性能& 实际的应用程序方法 运行例如C编译程序、 T

42、ex 正文处理软件、CAD工具Spice等等。& 核心程序方法 从实际的程序中抽取少量关键循环程序段，并用它们来评价机器的性能。与实际程序不同，任何用户都不会去真正运行这些核心程序。它们的存在只是用来评价性能。& 玩具基准测试程序 玩具基准测试程序通常只有10-100行而且运行结果是可以预知的。因为小而且容易键入并且适用于任何机器而受到欢迎。第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1.4.2 计算机系统评价标准计算机系统评价标准 综合基准测试程序&类似于核心程序，但它考虑了各种操作和各种程序的比例 。& 与核心程序相比，

43、其与实际应用的差别更大，因为核心程序是从实际的程序中抽象出来的，而它是为了体现平均执行而人为编制的。第一章 第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构1. .上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一个步骤一个步骤补充：计算机的工作步骤补充：计算机的工作步骤第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机

44、组成与结构计算机组成与结构取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2 + bx + c编程举例编程举例第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构000001 00

45、00001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例操作码操作码地址码地址码 打印机打印机第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构指令和数据存于主指令和数据存于主存单元的地址存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 0 000000100000100000010000000001000取数取数x x至至ACCACC 1 100010000010000000010010000001001乘乘a a得得axax , ,存于存于ACCACC中中 2 200001100

46、001100000010100000001010加加b b得得axax+ +b b , ,存于存于ACCACC中中 3 300010000010000000010000000001000乘乘x x得（得（axax+ +b b) )x x, ,存于存于ACCACC中中 4 400001100001100000010110000001011加加c c得得axax2 2 + + bxbx + + c c , ,存于存于ACCACC 5 500001000001000000011000000001100将将axax2 2 + + bxbx + +c c , ,存于主存单元存于主存单元 6 600010

47、100010100000011000000001100打印打印 7 7000110000110停机停机 8 8 x x原始数据原始数据x x 9 9 a a原始数据原始数据a a 1010 b b原始数据原始数据b b 1111 c c原始数据原始数据c c 1212存放结果存放结果计算计算 ax2 + bx + c 程序清单程序清单第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1） 房间房间 床位床位（无人（无人/ / 有人）有人）( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MBR主存储器主存储器存储体存储体MAR2. .计算机的解题过程计算机的解题过程第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成与结构计算机组成与结构MARMBR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR = = 4 位位 MBR = =