计算机系统概述

微机原理

（计算机原理与应用系统）

第2讲计算机系统概述

1

第2讲计算机系统概述

分计算机的类型

8计算机的组成

8计算机系统

8计算机性能评价

㊂计算机内信息的表示

马洪兵，2006年秋2

计算机的类型

㊂按应用领域划分

‘'桌面计算机

e企业级计算机

㊂嵌入式计算机

马洪兵，2006年秋3

计算机的类型

桌面计算机

8台式机

8笔记本

8工作站——具有较强图形、图像与视频处理能

力的高性能专用计算机的总称

分设计者考虑的因素：性能价格比

❷性能——良好的交互性能（例如图形用户界面）、

支持大量的外部设备

仝,价格——500$〜10000$

马洪兵，2006年秋4

计算机的类型

企业级计算机

1.服务器——例如局域网服务器和Internet服务器。有

一个或多个CPU、GB级的内存、几百GB级的磁盘以

及高速网络处理能力。能够同时处理几十或上百个外

部请求

2.机群系统——由PC机或工作站通过Gbps级的网络连

接而成，运行专门的操作系统使所有机器协同完成计

算任务。机群系统具有良好的可扩展性，可以很容易

扩展机器数量

e机群系统与网络系统的区别：在用户看来机群系统就

像一个普通的单机系统

3.大型机(mainframe)

马洪兵，2006年秋5

计算机的类型

企业级计算机

3.大型机(mainframe)

一大都是旧M360的后代，仍然在

一些大型机构的数据中心运行

着，有些大型主机的持续运行时

间已经超过了20年

©大型主机所具有的良好的稳定性

和巨大的I/O处理能力是PC机望

尘莫及的—对于企业级的应用

而言，这些特性的重要性远远高

于花里胡哨的GUIIBM390

马洪兵，2006年秋6

计算机的类型

企业级计算机——设计者考虑的因素

1.可用性一系统提供有效服务的能力

e可用性不同于可靠性，可靠性指系统不出现故

障的能力。任何系统都可能出故障，但是企业

级计算机系统要确保在部件出现故障的情况下

保证系统提供有效服务，通常通过冗余来实现

2.可扩展性——为满足服务需求的增长，企业

级计算机必须具有升级计算能力、内存和磁

盘容量以及I/O带宽的能力

3.吞吐量一一定时间内处理的事务数量

马洪兵，2006年秋7

计算机的类型

嵌入式计算机

今嵌入在其他设备中，不以计算机的形态出现的计算机

马洪兵，2006年秋8

计算机的类型

兮嵌入式计算机的应用领域

ARM微处理器市场细分

马洪兵，2006年秋

计算机的类型

e嵌入式计算机设计者考虑的主要因素

1.成本——嵌入式计算机的价格范围非常广泛，从低于

1美元的8位微处理器到几百美元的64位高性能微处理

器。低端产品对于价格尤为敏感

。最小存储器需求：存储器是系统成本的一部分，通常

通过优化缩短代码长度

2.功耗——对于电池供电的系统尤为重要

3.实时性能——指计算机在确定的时间间隔内对外部事

件做出恰当反应的能力。许多嵌入式计算机应用于过

程控制、事务处理等有实时要求的领域

»硬实时：必须满足最终时限

e软实时：允许偶尔违反最终时限

马洪兵，2006年秋10

计算机的组成

分冯・诺伊曼计算机由存储器、运算器、控制器、

输入设备和输出设备五部分组成

马洪兵，2006年秋11

计算机的组成

存储器

9存储器是用来存放程序和数据的、具有记忆功

能的装置（此处的存储器特指主存储器）

分为了准确地对存储器进行读写，通常以字节/字

为单位将存储器划分为一个个存储单元，并依

次为每个存储单元赋予一个从0开始的序号，

该序号称为存储单元的地址，存储单元的地址

也用二进制数码表示

8每个存储单元的地址都是唯一的，每次读写存

储器时，必须给出存储单元的地址才能访问

马洪兵，2006年秋12

计算机的组成

存储器

㊂存储单元的地址和存储

单元存放的内容（指令或

数据）都是二进制数码，

但它们是完全不同的两

个概念

一控制器地址线的位数决

定地址的位数，地址的

位数决定处理器能够访

问的存储器的最大容量

马洪兵，2006年秋13

计算机的组成

存储器

一近年来，几乎所有的计算机都以字节(byte)为

存储单元的编址单位，一个字节由8个二进制

位组成

§字节可以组合成字(word),不同的计算机可能

具有不同的字长

©字长——处理器一次可以直接处理的二进制数

码的位数，它通常取决于处理器内部通用寄存

器的位数和数据总线的宽度。字长通常是字节

的倍数，如8位、16位、32位、64位

马洪兵，2006年秋14

计算机的组成

存储器—字节顺序

号每个字中的字节地址可以从左到右，或者从右

到左编排，前者称为大端格式(bigendian),

后者称为小端格式(littleendian)

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字地址字节地址字地址字节地址

0012303210

4456747654

88910118111098

12121314151215141312

马洪兵，2006年秋15

计算机的组成

存储器一字节顺序

-X86采用小端格式，SPARC采用大端格式，

ARM支持两种格式

8例：32位字1A2B3c4D(i»的存储格式

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字节地址0123字节地址0123

内容1A2B3C4D内容4D3C2B1A

马洪兵，2006年秋16

计算机的组成

运算器

㊂运算器是进行算术运算和逻辑运算的装置，通

常称为ALU-ArithmeticLogicUnit（算术

A、B为ALU的两个输

入操作数，Y为输出

结果

马洪兵，2006年秋17

计算机的组成

数据通路(datapath)

一CPU内部通常有一定数

量的高速存储器——寄

存器，由于保存中间结

果和控制信息

©断小——通用寄存器

8A、B——ALU输入寄存

器

-Y——ALU输出寄存器

8ALU、寄存器以及连接

它们取直部总线，组成

CPU%数据通路

马洪兵，2006年秋18

计算机的组成

运算器

cALU将两个操作数进行运算并将结果存回的过

程称为数据通路周期

©数据通路周期在很大程度上决定着计算机的性

能

马洪兵，2006年秋19

计算机的组成

输入设备和输出设备

®输入设备是用来输入程序和原始数据的装置，

其功能是将外界信息转换成机内的表示形式并

传送到计算机内部

8输出设备用来输出计算机处理结果的装置，其

功能是将处理结果从计算机内部的表示形式转

换成人们所需要的形式并传送到计算机外部

马洪兵，2006年秋20

计算机的组成

控制器

©靠^^普指篇和控制‘部件协调工

©控制器的基本组成

控制L

信号」OCIDOC-Operation8ntroller（操作控制器）

ID-InstructionDecoder（指令译码器）

IRIR-InstructionRegister（指令寄存器）

PC-Program8unter（程序计数器）

MAR-MemoryAddressRegist❷r（内存

存地址寄存器）

储

器

MDR—MemoryDataReglst❷r（内存数

MDR据寄存器）

马洪兵,2006年秋

计算机的组成

控制器

控制器的功能就是执行指令,

般而言，控制器执行一条指

令的过程大致分为以下几个步

骤:

1.从存储器取一条指令到指令

寄存器中

2.修改程序计数器，使其指向

后面一案指令

3.对取得的指令进行译码

4.若该指令用到某存储单元，

则对该存储单元进行寻址

5.必要时，从存僮蛰中读取一

个字到CPU的雷荐器中

6.执行指令——由操作控制器

发出控制信号

7.返回第1步

马洪兵，2006年秋22

计算机的组成

控制器

取指一译码一执行循环，是计算机操作的核心

马洪兵，2006年秋23

计算机的组成

计算机的结构

地址总线AB

输

输

存

出

I/O入I/O

储

设

CPU接设接

器

备

口备口

总线一一连接多个功能部件的一组公共信号线

马洪兵，2006年秋24

计算机的组成

计算机的结构

c地址总线(AB)：用来传送CPU输出的地址信

号，确定被访问的存储单元、I/O端口

㊂地址总线的条数决定微处理器的寻址能力

8数据总线(DB)：用来在CPU与存储器、I/O接

口之间进行数据传送

8数据总线的条数决定微处理器一次最多可以传

送的数据宽度

分控制总线(CB)：用来传送各种控制信号

马洪兵，2006年秋25

计算机系统

硬件与软件

®任何完整的计算机系统都是由硬件和软件两

部分组成

©计算机组成讨论的是组成计算机系统所需要

的物理部件与设备，即计算机硬件

©软件是指控制计算机工作所需的各种程序和

数据

马洪兵，2006年秋26

计算机系统

ISA—指令集体系结构

ISA(lnstructionSetArchitecture)是计算机

硬件与底层软件之间的接口，它是程序员为

使一个二进制机器语言程序正确运行所需要

了解的属性

计算机软件

ISA

计算机硬件

马洪兵，2006年秋27

计算机系统

机器语言

计算机硬件的基本功能就是执行指令，指令

在冯・诺伊曼计算机中由二进制数字进行编码。

描述完成一个确定任务的指令序列称为程序

e计算机的全部二进制机器指令组成了一种可

供人与计算机进行交流的语言，称为机器语

一

马洪兵，2006年秋28

计算机系统

汇编语言

©使用机器语言编写程序十分困难，于是人们

发明了用助记符表示指令的方法。助记符形

式的指令的集合组成了汇编语言

®汇编语言的助记符形式的指令必须翻译成机

器语言二进制指令才能在计算机上执行，实

现这种翻译的程序称为汇编器(assembler)

马洪兵，2006年秋乙

计算机系统

汇编语言

movax,a

movbx,b

xchgax,bx

mova,ax

movb,bx

10111(XXXX)0000000001000010iil011

00000000002000001000011111000011

101(XX)il(X)0(XXXX)0001000010001001

000111100000000000100000

马洪兵，2006年秋30

计算机系统

高级语言

号汇编语言与机器语言是一一对应的，所以开发

效率仍然十分低下，于是人们发明了高级程序

设计语言，如FORTRAN、C等等

©使高级语言程序在只能运行二进制机器指令的

计算机上运行，有两种途径：

一编译

一解释

马洪兵，2006年秋31

计算机系统

编译

®将高级语言编写的程序翻译成等价的二进制

指令序列来代替，计算机执行等价的机器语

言程序

8实现这种翻译的程序称为编译器(compiler)

马洪兵，2006年秋32

计算机系统

编译swap(inta>intbX

Inttemp;

temp-a;

a■b;

b-temp;

)

lomooooooooooooooiooooioiiioii

OOOOOOOOOOWOOOO1OOOO11111OOOO11

iOiOOOilOOOOOOOOOOOlOOOOlOOOlOOi

000111100000000000100000

马洪兵，2006年秋33

计算机系统

解释

®某程序以高级语言程序作为输入数据，顺序

地检查它的每一条语句，并直接执行等价的

机器语言指令序列，这种方法称为解释

©用来解释高级语言语句的程序称为解释器

(interpreter)

马洪兵，2006年秋34

计算机性能评价

响应时间与吞吐量

©响应时间——从提交作业到完成

作业所花费的时间

e吞吐量——一定时间间隔内完成

的作业数

一个人用户更关心响应时间，企业

级计算机的管理人员更关心吞吐

里

e对于企业级服务器以外的应用，

响应时间是评价计算机性能的主

要依据

马洪兵，2006年秋35

计算机性能评价

计算机性能定义

e对计算机性能进行比较时，最基本的标准就是时间

标准——执行同样的程序所需时间最短的计算机就

是最好的计算机

1

性能=______________________

执行时间

马洪兵，2006年秋36

计算机性能评价

CPU执行时间

㊂对于多任务系统，应该从响应时间中去除因为等待I/O

操作而花去的时间和CPU执行其他程序所花费的时

间，为此引入CPU执行时间的概念

CPU执行时间=CPU时钟周期数X时钟周期

_CPU时钟周期数

时钟频率

CPU时钟周期数=程序指令数X每条指令平均时钟周期数

每条指令平均时钟周期数---CPI(clockcycleper

instruction)

CPU执行时间=指令数xCPIx时钟周期

马洪兵，2006年秋37

计算机性能评价

CPI

㊂执行不同的指令所需的时钟周期是不同的，简

单的指令需要较少的时钟周期，复杂的指令需

要较多的时钟周期

n

CPI=ZCPLxE

i=l

——第i类指令出现的频度

''CPIj——执行第i类指令指令所需的时钟周期

马洪兵，2006年秋38

计算机性能评价

影响计算机性能的因素

CPU执行时间=指令数XCPIX时钟周期

㊂指令数：取决于指令集体系结构(ISA),与指

令集的具体实现无关。编译器也对指令数有很

大影响

㊂CPI和时钟周期：与机器的实现细节密切相关

马洪兵，2006年秋39

计算机性能评价

提高计算机性能的途径

CPU执行时间=指令数XCPIX时钟周期

e可以通过减少公式中任意一项来提高处理器的

性能

9但是，公式中的三项并不是相互独立的，它们

之间有着复杂的联系，减少三项中的任意一项

都有可能增加其他两项

马洪兵，2006年秋40

计算机性能评价

提高计算机性能的途径

®一些技术可以在保持其他两项不变的前提下减

少其中的一项：

一采用优化编译技术，在目标代码中消除冗余代

码，可以减少指令数，但是并不影响CPI和时

钟周期

㊂采用快速电路技术或更为先进的结构减少信号

传输延迟，可以减少时钟周期，但是并不影响

CPI和指令数

马洪兵，2006年秋41

计算机性能评价

提高计算机性能的途径

8一些技术可能在减少某一项的同时，增加另一

项或两项的值

㊂例如，指令集可以包含更多复杂的指令，使每

条指令执行更多的动作，可以减少指令数一＞

CISC

㊂虽然指令数减少，但是执行部件的复杂性增

力口，从而导致CPI和时钟周期的增加

8只有在减少项的作用大于增加项的情况下，才

能获得性能的提高

马洪兵，2006年秋42

计算机性能评价

提高计算机性能的途径

一减少CPI的愿望激发了许多体系结构和微体系

结构（即体系结构的逻辑实现）技术

,■体系结构方面：采用精简的指令集，减少每条

指令的复杂性，从而减少CPI--RISC

…微体系结构方面：同时重叠执行多条指令一

流水线技术、超标量技术

马洪兵，2006年秋43

计算机性能评价

性能测量

e公平的性能测量方法是使用一个一致的实际应用程序

来评估性能。系统性能评估协会(SPEC,System

PerformanceEvaluationCooperative)是目前公认

的计算机性能评估机构

eSPEC选择不同应用领域具有代表性的应用程序(包括

游戏、编译器、数据库应用、天体物理计算等等)对各

种商业计算机进行评估，并公布评估结果

马洪兵，2006年秋44

计算机性能评价

性能测量

®SPEC2000基准程序包含了两部分：

©CINT2000,用来测量整数运算

©CFP2000,用来测量浮点数运算

一SPEC2000参照采用300MHzUltraSPARCHi处

理器的UltraSPARCIO工作站，计算SPEC等级

在参照计算机上的执行时间

SPEC等级=---------------------------

在被测计算机上的执行时间

马洪兵，2006年秋45

计算机性能评价

性能测量

。如果某计算机的SPEC等级=50,则表明该计

算机的运行速度是UltraSPARCIO工作站的50

倍

8

d

a

k

08

f

0^

y

a

0

Z0

N1

O6

C3

SI

0

500100015002000250030003500

ClockrateinMHz

马洪兵，2006年秋46

计算机性能评价

MIPS

…MIPS是MillionsofInstructionPerSecond

的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每

秒钟能执行多少百万条指令

指令数

MIPS=

执行时间义106

马洪兵，2006年秋47

计算机性能评价

MIPS

今由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，

所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上

不同的系数求得的统计平均值

❷MIPS是不可靠的性能指标：不能用MIPS指标来

比较指令集不同的计算机，因为同一程序在这

些机器上的指令数是不同的

马洪兵，2006年秋48

计算机内信息的表示

整数的表示——符号数的表示

吕把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位

为。表示正数，符号位为1表示负数

8这种在计算机中使用的、连同符号位一起数值

化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实

的数值，称为真值

76543210

假设机器字长为8位

符号位数值位

马洪兵，2006年秋49

计算机内信息的表示

符号数的表示

8对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、

反码和补码三种。数X的原码记作［X］原，反码

记作［X］反，补码记作［X］补八

与原码：最高位表示符号，数值位用二进制绝对

值表示

8反码：正数的反码与原码相同。负数的原码符

号位保持不变，其余位取反则得到机器数的反

宿表示

Q补码：正数的补码与原码相同。将负数的反码

加1,则得到机器数的补码表示

马洪兵，2006年秋50

计算机内信息的表示

符号数的原码表示

符号符号位

J

真值x=+18=+0010010原码[X]原=00010010

X=-18=-0010010[X]原=10010010

x=+0=+0000000[X]原=00000000

X=-0=-0000000[X]原=10000000

jn位原码表示数值的范围是-（2〃T-1）〜+（2〃T—1）,对应的原

码是111…1〜011…1

C。的原码有两种形式

马洪兵，2006年秋51

计算机内信息的表示

符号数的反码表示

符号符号位

I

真值X=+18=+0010010反码[X]反=00010010

X=-18=-0010010[X]反=11101101

X=+0=4-0000000[X]反=00000000

X=-0=-0000000[X]反=

jn位反码表示数值的范围是_(2〃T_1)~+(2〃T—1),对应的反

码是111…1〜011…1

。的反码有两种形式

马洪兵，2006年秋52

计算机内信息的表示

符号数的补码表示

符号符号位

I

真值X=+18=+0010010补码[X]补=00010010

X=-18=-0010010[X]补=11101110

X=+0=4-0000000[X]补=00000000

X=-0=-0000000[X]补=00000000

巴n位补码表示数值的范围是-2〃7〜+（2，T-1）,对应的

补码是100・・.0〜011...1

e0的补码只有一种形式

马洪兵，2006年秋53

计算机内信息的表示

补码的表数范围

十进制二进制十六进制十进制十六进制

（字长=8）（字长二16）

+127011111117F+327677FFF

+126011111107E+327667FFE

•••••••••••••••

+20000001002+20002

+10000000101+10001

0000000000000000

-111111111FF-1FFFF

-211111110FE-2FFFE

•••••••••••••••

-1261000001082-327668002

-1271000000181-327678001

-1281000000080-327688000

叫洪兵，2006年秋54

计算机内信息的表示

补码加减法的运算规则

[X土Y]补=[X]补+[±Y]补

其中X,Y为正负数均可，符号位参与运算

模(module)就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以

进位计数制基数为底，以位数为指数的幕。凡是用器件进行

的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动

丢弃。因此，当器件为n位时，X=2n+X(mod2n)

nn

不难验证，［X］#=2+X(mod2)

因此，

［X土Y］补=2n+(X±Y)(mod2n)

=(2n+X)+(2n±Y)

=［X］补+［土Y］补

马洪兵，2006年秋55

计算机内信息的表示

补码加减法的运算规则

一设计算机字长为8位，X=42,Y=-91,以28

为模，用补码运算求X+Y和X•Y

【解】

[X]补=00101010,[Y]补=10100101,[-Y]#=01011011

[X+Y]补=[X]补+[Y]补

=00101010+10100101=11001111(-49)结果正确

[X-Y]补=[X]补+[・Y]补

=00101010+01011011=10000101(423)结果错误

马洪兵，2006年秋56

计算机内信息的表示

8采用补码，可以将减法用加法实现，省去减法器，简

化硬件

8先对减数进行求补运算（求反加1,也是加法）

8再将求补后的数与被减数相加

©相加的结果即为用补码表示的两数相减结果

计算机中的实现过程

01000100B

-10100101B>01011010

+1

01011011

+01000100

10011111

马洪兵，2006年秋57

计算机内信息的表示

无符号数的表示

®无符号数的最高位不是符号位而是数值的一部

分

机器运算表示符号数表示无符号数

10111001[-71]补185

+)00101011+)[43]补+)43

11100100[-28]补228

无符号数和有符号数的加减运算可以用同一电路完成

马洪兵，2006年秋58

计算机内信息的表示

进位和溢出

e进位：

3在加法过程中，符号位向更高位产生进位

㊂在减法过程中，符号位向更高位产生借位

10110101

+10001111

进位1111111

01000100

马洪兵，2006年秋59

计算机内信息的表示

进位和溢出

©溢出——运算结果超出范围

»如果

8符号相同的两数相加，所得结果的符号与之相反，结果

溢出

S符号相异的两数相减，所得结果的符号与减数相同，结

果溢出

与其他情况，不会产生溢出

10110101

+10001111

101000100

马洪兵，2006年秋60

计算机内信息的表示

进位和溢出

8有符号数运算，出现溢出表示结果为错误的

8无符号数运算，出现进位表示结果为错误的

10110101(181/-75)01000010(66/66)

+10001111(143/-113)+01100011(99/99)

101000100(68/68)10100101(165/-91)

溢出且进位，有符号数、无符溢出无进位，有符号数运算结果

号数运算结果均错误错误，无符号数运算结果正确

01000010(66/66)

+11001101(205051)

100001111(15/15)

进位无溢出，无符号数运算结果

错误，有符号数运算结果正确

马洪兵，2006年秋61

计算机内信息的表示

浮点数的表示

*,任意一个二进制实数X都可以表示成如下般

格式:

x=±sX2土J

ft

尾尾阶阶

符数符码

10.01011101x2+5的阶码为+5,表示把尾数的小数

点向右移动5位就是小数点的实际位置

规格化处理：整数部分必须是1

马洪兵，2006年秋62

计算机内信息的表示

©IEEE754标准——二进制浮点运算标准(A

StandardforBinaryFloatingPointArithmetic)

❺将阶码以一种偏置形式存放，即将真阶码加上一个常数

偏置值才是格式阶码，以保证偏置后的格式阶码恒为正

自单精度的阶码偏置值为+127,双精度的阶码偏置值为

+1023,扩展精度的阶码偏置值为+T6383

马洪兵，2006年秋63

计算机内信息的表示

符号偏置阶码有效数字

+00011...111A00...00

011...101A11...11

••

正数*

000...011A00...00

+0000...000A00...00

-0100...000A00...00

100...011A00...00

••

负数•

111...101A11...11

-00111...111A00...00

单精度数的范围：±3.40x1038精度：1.18x10-38

双精度数的范围：±1.8OxlO308精度：2.23x10-308

扩展精度数的范围：±1.19x1()4932精度：3.36x10-4932

马洪兵，2006年秋64

计算机内信息的表示

例.写出178.125以单精度浮点数形式存放的机器数

解：178.125①产10110010.001(B)

表示成规格化的浮点数为1.0110010001x27

・•・23位有效数字字段为01100100010000000000000

真阶码为111

偏置阶码为11为111+111=10000110

符号位为0

・•.178.125的单精度浮点机器数为

01000011001100100010000000000000

表示成十六进制为43322000(H)

马洪兵，2006年秋65

计算机内信息的表示

十进制数的表示421BCD码

㊂压缩BCD码：每一位用4位二进制表示，

0000〜1001表示0~9,一个字节表示两位十进

制数

8非压缩BCD码：用一个字节表示一位十进制

楚，高4位总是0000,低4位的0000〜1001表

示。〜9

马洪兵，2006年秋66

计算机内信息的表示

非数值数据的表示

㊂计算机中除了能够处理数值数据以外，还可以

处理文字、语音、图像等各种信息，这些信息

统称为非数值数据

©非数值数据在计算机中也必须以二进制形式表

示，非数值数据的表示本质上是编码的过程

马洪兵，2006年秋67

计算机内信息的表示

eASCII码——美国标准信息交换代码

ASCII字符表

V

000001010Oil100101110111

0000NULDLESP0@pp

0001SOHDC1!1AQaq

0010STXDC2fi2BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENGNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETB7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

1010LFSUB*JZjz

1011VTESC+K[k(

1100FFFS<L\11

1101CRGS-=M1m)

1110SORS.>NTn〜

1111SIUS/?0<-oDEL

注：H表示高3位，L表示低4位。

马洪兵，2006年秋