計(jì)算機(jī)組成原理第1章_計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論_任國(guó)林版課件

1、1計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 任國(guó)林任國(guó)林 Email: 2第第1 1章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論31.1 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件 * *電子計(jì)算機(jī)：電子計(jì)算機(jī)： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理，過(guò)程控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理，過(guò)程控制 * *計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成：具有具有特定功能特定功能的信息的信息( (程序程序) )。如系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序如系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)表示應(yīng)用需求表示應(yīng)用需求 是采用是采用按位及跳動(dòng)式計(jì)算按位及跳動(dòng)式計(jì)算、能夠、能夠根據(jù)邏輯判斷結(jié)果控制計(jì)根據(jù)邏輯判斷結(jié)果控制計(jì)算過(guò)程

2、算過(guò)程的電子式的電子式機(jī)器機(jī)器 * *計(jì)算機(jī)的功能：計(jì)算機(jī)的功能：計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體；計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體；如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件4 功能的實(shí)現(xiàn)方式功能的實(shí)現(xiàn)方式 * *計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式： 解題過(guò)程解題過(guò)程解題結(jié)果運(yùn)行運(yùn)行 * *計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的特性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的特性： 軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映 硬件硬件數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送及處理和過(guò)程控制功能數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送及處理和過(guò)程控制功能 軟件軟件應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制需求應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制需求 程序(指令序列，硬件用不

3、同指令表示不同功能) 執(zhí)行軟件執(zhí)行軟件應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制功能應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制功能用用 戶戶輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備處理設(shè)備處理設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備目標(biāo)程序(機(jī)器語(yǔ)言)源程序(高級(jí)語(yǔ)言)編輯編輯 編譯編譯5二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)直接執(zhí)行機(jī)器指令直接執(zhí)行機(jī)器指令機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器 M1M1用用機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言編程編程匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器 M3M3用用匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言編程編程用用匯編程序匯編程序翻譯翻譯 成機(jī)器語(yǔ)言程序成機(jī)器語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器 M4M4用用高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言編程編程用用編譯程序編譯程序翻譯翻譯 成匯編語(yǔ)

4、言程序成匯編語(yǔ)言程序 或機(jī)器語(yǔ)言程序或機(jī)器語(yǔ)言程序操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器 M2M2使用使用操作系統(tǒng)命令操作系統(tǒng)命令用用機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言解釋解釋 操作系統(tǒng)命令操作系統(tǒng)命令 微程序級(jí)機(jī)器微程序級(jí)機(jī)器 M0M0使用使用微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)用用微程序微程序解釋解釋 機(jī)器指令機(jī)器指令直接執(zhí)行微指令直接執(zhí)行微指令虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器6三、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與組成三、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與組成 * *計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：機(jī)器語(yǔ)言程序員機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的所看到的計(jì)算機(jī)屬性計(jì)算機(jī)屬性 概念性結(jié)構(gòu)和功能特性概念性結(jié)構(gòu)和功能特性數(shù)字電路級(jí)機(jī)器數(shù)字電路級(jí)機(jī)器指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表

5、示、尋址方式, ,存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)，I/OI/O系統(tǒng)、信息保護(hù)等系統(tǒng)、信息保護(hù)等機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器 M1M1 微程序級(jí)機(jī)器微程序級(jí)機(jī)器 M0M0硬件硬件軟件軟件匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器 M3M3高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器 M4M4操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器 M2M2軟硬件軟硬件交界面交界面 * *計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)組成：實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)所體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屬性所體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屬性指令功能邏輯實(shí)現(xiàn)、部件組成、指令功能邏輯實(shí)現(xiàn)、部件組成、控制機(jī)構(gòu)、排隊(duì)及緩沖技術(shù)等控制機(jī)構(gòu)、排隊(duì)及緩沖技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等 * *計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：實(shí)

6、現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成時(shí)所體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屬性所體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屬性7 * *相互關(guān)系：相互關(guān)系： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定軟硬件功能分配及其界面特性；確定軟硬件功能分配及其界面特性； 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容；邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容； 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的內(nèi)容物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的內(nèi)容舉例舉例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)乘法功能乘法功能是否有乘法指令是否有乘法指令乘法器還是加法乘法器還是加法+ +移位移位器件、電路器件、電路主存系統(tǒng)主存系統(tǒng)最大容量、編址方式最大容量、編址方式 速度保證、單體速度保證、單體/ /多體多體ME

7、MMEM總線總線帶寬帶寬信號(hào)線數(shù)、時(shí)鐘、傳輸方式信號(hào)線數(shù)、時(shí)鐘、傳輸方式81.2 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成一、一、馮馮諾依曼模型計(jì)算機(jī)諾依曼模型計(jì)算機(jī) * *結(jié)構(gòu)與組成：結(jié)構(gòu)與組成： 由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入及輸出設(shè)備組成，由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入及輸出設(shè)備組成， 以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心；輸入設(shè)備輸入設(shè)備存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備注：注： 數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息 指令信息指令信息 控制信息控制信息 狀態(tài)信息狀態(tài)信息 * *數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算： 指令及數(shù)據(jù)均用指令及數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制方式二進(jìn)制方式表示，運(yùn)算亦采用表示，運(yùn)算亦采用二

8、進(jìn)制方式二進(jìn)制方式9 * *指令組成：指令組成： 由由操作碼操作碼及及地址碼地址碼組成；組成；010 010 01000 01000 1000010000 例：若加法運(yùn)算的操作碼用例：若加法運(yùn)算的操作碼用010010表示，第表示，第0100001000號(hào)與第號(hào)與第1000010000號(hào)兩個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)容相加的操作可表示為：號(hào)兩個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)容相加的操作可表示為：表示操作的性質(zhì)表示操作的性質(zhì)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置 * *存儲(chǔ)程序原理存儲(chǔ)程序原理程序存儲(chǔ)方式：程序存儲(chǔ)方式： 指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放( (以等同地位以等同地位) )在存儲(chǔ)器中；在存儲(chǔ)器中； *

9、*存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)： 由由定長(zhǎng)單元定長(zhǎng)單元構(gòu)成構(gòu)成的的一維一維空間空間，存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器按地址按地址訪問(wèn)訪問(wèn)；操作碼操作碼 地址碼地址碼1 1 地址碼地址碼2 210 * *存儲(chǔ)程序原理存儲(chǔ)程序原理程序控制機(jī)制：程序控制機(jī)制： 按程序邏輯順序、自動(dòng)地、逐條地取出指令并執(zhí)行。按程序邏輯順序、自動(dòng)地、逐條地取出指令并執(zhí)行。循環(huán)的循環(huán)的 指令執(zhí)行過(guò)程指令執(zhí)行過(guò)程物理順序物理順序( (指令地址指令地址) )指令內(nèi)容指令內(nèi)容程序程序邏輯順序邏輯順序A+0A+0 intint nCount nCount=0=0； A+1A+1 intint nSum nSum=0=0；A+2A+2LP: nSumLP

10、: nSum+=nCount+=nCount； A+3A+3 nCountnCount+； A+4A+4if (nCountif (nCount4)nSumCOUTnSum；取指令取指令過(guò)程過(guò)程執(zhí)行指令執(zhí)行指令過(guò)程過(guò)程指令地址指令地址+ +“1 1”指令發(fā)生指令發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)下條指令地址下條指令地址 由當(dāng)前指令產(chǎn)生由當(dāng)前指令產(chǎn)生11二、二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成計(jì)算機(jī)硬件的基本組成1 1、計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)均在馮現(xiàn)代計(jì)算機(jī)均在馮諾依曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行諾依曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)改進(jìn) * *采用采用以存儲(chǔ)器為中心以存儲(chǔ)器為中心的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)： 使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利

11、于提高系統(tǒng)性能使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備結(jié)果結(jié)果程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器直接存儲(chǔ)器訪直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)問(wèn)(DMA)(DMA)技術(shù)技術(shù)緩沖器緩沖器緩沖器緩沖器緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)812 * *由由多種存儲(chǔ)器多種存儲(chǔ)器構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)：構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)： 解決速度解決速度- -容量容量- -價(jià)格間的矛盾，有利于提高性能價(jià)格間的矛盾，有利于提高性能/ /價(jià)格價(jià)格主存主存( (內(nèi)存內(nèi)存) )輔存輔存( (外存外存) )計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)硬件硬件運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備CPUCPU主機(jī)主機(jī)I/OI/O設(shè)備

12、設(shè)備( (外設(shè)外設(shè)) )I/O設(shè)備設(shè)備主主存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器MM控制單元控制單元CUCPU算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU主機(jī)主機(jī)包含輔存包含輔存( (如如DISKDISK等等) )13 * *采用采用總線互連總線互連形式：形式： 實(shí)現(xiàn)部件操作標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性實(shí)現(xiàn)部件操作標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口1 1MEMMEM總線總線I/OI/O設(shè)備設(shè)備1 1I/OI/O接口接口nI/OI/O設(shè)備設(shè)備n總線橋總線橋I/OI/O接口接口I/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O接口接口I/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O總線總線非標(biāo)準(zhǔn)格式非標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)準(zhǔn)格式按地

13、址訪問(wèn)按地址訪問(wèn)min 所連所連I/OI/O設(shè)備設(shè)備速度速度 142 2、計(jì)算機(jī)部件的基本組成、計(jì)算機(jī)部件的基本組成(1)(1)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 * *功能：功能：存儲(chǔ)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)、通過(guò)讀程序和數(shù)據(jù)、通過(guò)讀/ /寫(xiě)操作寫(xiě)操作接收接收/ /提供提供信息信息地址地址存儲(chǔ)陣列存儲(chǔ)陣列I/OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)命令命令 * *術(shù)語(yǔ)：術(shù)語(yǔ)：存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件( (存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元)可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位的可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位的元件元件； 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元可可同時(shí)存儲(chǔ)同時(shí)存儲(chǔ)一串二進(jìn)制位的一串二進(jìn)制位的元件元件； 存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元內(nèi)存儲(chǔ)的二進(jìn)制編碼；內(nèi)存儲(chǔ)的二進(jìn)制編碼； 存儲(chǔ)陣列存儲(chǔ)陣

14、列所有存儲(chǔ)單元的集合所有存儲(chǔ)單元的集合 存儲(chǔ)單元地址存儲(chǔ)單元地址每個(gè)存儲(chǔ)單元被賦予的惟一每個(gè)存儲(chǔ)單元被賦予的惟一編號(hào)編號(hào) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)陣列可存儲(chǔ)的存儲(chǔ)陣列可存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)二進(jìn)制位數(shù)0 01 1n-1-10 0 1 1 w-1-10 01 1n-1-1存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)W存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字 * *組成：組成：15 * *完成操作的過(guò)程：完成操作的過(guò)程： 讀操作讀操作接收地址及命令，內(nèi)部操作；接收地址及命令，內(nèi)部操作； 輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)I/OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器001001ReadRead地址譯碼器地址譯碼器I/OI/O電路電路1#1#的存儲(chǔ)字的存儲(chǔ)字 寫(xiě)操作寫(xiě)操作接收地址及命令；

15、接收地址及命令； 接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作16(2)(2)運(yùn)算器運(yùn)算器 * *功能：功能：實(shí)現(xiàn)算術(shù)實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算運(yùn)算及邏輯運(yùn)算，并及邏輯運(yùn)算，并暫存暫存運(yùn)算結(jié)果運(yùn)算結(jié)果 * *組成：組成：寄存器寄存器組組( (堆堆) )Func存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器ALUALU寄存器型運(yùn)算器寄存器型運(yùn)算器ACACFunc存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器ALUALU累加器型運(yùn)算器累加器型運(yùn)算器TEMPTEMP * *(AC)+YAC(AC)+YAC的運(yùn)算過(guò)程：的運(yùn)算過(guò)程： (0) (AC)(0) (AC)為被加數(shù)為被加數(shù)ACAC存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器ALUALUTEMPTEMPACACFuncTEMPTEMP (1) (1) 加數(shù)加數(shù)YTE

16、MPYTEMP (2) (AC) (2) (AC)(TEMP)(TEMP) (3) ALU (3) ALU結(jié)果結(jié)果ACAC(X)(X)表示寄存器表示寄存器X X中內(nèi)容，中內(nèi)容，YY表示存儲(chǔ)單元表示存儲(chǔ)單元Y Y中內(nèi)容中內(nèi)容17(3)(3)控制器控制器 * *功能：功能：指揮及控制指揮及控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以各部件協(xié)調(diào)地工作，以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過(guò)程 * *程序執(zhí)行過(guò)程：程序執(zhí)行過(guò)程： 循環(huán)循環(huán)的的指令執(zhí)行過(guò)程指令執(zhí)行過(guò)程( (取指令及執(zhí)行指令取指令及執(zhí)行指令) )； 下條指令地址下條指令地址由當(dāng)前指令產(chǎn)生由當(dāng)前指令產(chǎn)生( (按程序邏輯順序按程序邏輯順序) )指令地址指令地址寄存器寄

17、存器PCPC存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器指令內(nèi)容指令內(nèi)容寄存器寄存器IRIR指令譯碼指令譯碼器器IDID功能部件功能部件+ +“1 1”地址形地址形成部件成部件取指令取指令取指階段取指階段分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段執(zhí)行階段指令產(chǎn)生轉(zhuǎn)移時(shí)指令產(chǎn)生轉(zhuǎn)移時(shí)1018 * *控制器功能的實(shí)現(xiàn)方法：控制器功能的實(shí)現(xiàn)方法： 循環(huán)產(chǎn)生循環(huán)產(chǎn)生指令執(zhí)行過(guò)程指令執(zhí)行過(guò)程不同時(shí)段的不同時(shí)段的時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí)標(biāo)信號(hào)； 在不同時(shí)段產(chǎn)生在不同時(shí)段產(chǎn)生當(dāng)前指令執(zhí)行所需的當(dāng)前指令執(zhí)行所需的部件控制信號(hào)部件控制信號(hào) * *組成：組成：指令寄存器指令寄存器IRIR程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PCPC指令譯指令譯碼器碼器IDID控制信號(hào)控制信號(hào)形

18、成部件形成部件時(shí)序時(shí)序部件部件控制器控制器19(4)(4)輸入輸入/ /輸出設(shè)備輸出設(shè)備 * *功能：功能：實(shí)現(xiàn)外部實(shí)現(xiàn)外部- -內(nèi)部信息的內(nèi)部信息的輸入輸入/ /輸出輸出及及格式轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換； * *種類：種類：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤(pán)等；鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤(pán)等； * *連接：連接：通過(guò)通過(guò)I/OI/O接口接口( (又稱適配器或控制器又稱適配器或控制器) )與總線連接，與總線連接， I/OI/O接口實(shí)現(xiàn)信息傳送時(shí)的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能接口實(shí)現(xiàn)信息傳送時(shí)的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能主存主存系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線主存控制器主存控制器CPUCPU用戶交互接口用戶交互接口鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等磁盤(pán)

19、適配器磁盤(pán)適配器磁盤(pán)磁盤(pán)通信接口通信接口串口等串口等總線接口總線接口BIUBIU20三、計(jì)算機(jī)軟件的基本組成三、計(jì)算機(jī)軟件的基本組成1 1、計(jì)算機(jī)軟件分類、計(jì)算機(jī)軟件分類 軟件分為軟件分為系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件及及應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件兩大類。兩大類。語(yǔ)言處理程序語(yǔ)言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序網(wǎng)絡(luò)管理程序網(wǎng)絡(luò)管理程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算信息管理信息管理自動(dòng)控制自動(dòng)控制人工智能人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器軟硬件軟硬件交界面交界面系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器應(yīng)用語(yǔ)言環(huán)境應(yīng)用語(yǔ)言環(huán)境高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境匯編語(yǔ)言環(huán)境匯編語(yǔ)言環(huán)境操作系統(tǒng)

20、環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用語(yǔ)言程序應(yīng)用語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序操作系統(tǒng)命令串操作系統(tǒng)命令串212 2、操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)(Operating System, OS)(Operating System, OS) OS OS是管理所有的硬件資源及軟件環(huán)境的軟件。是管理所有的硬件資源及軟件環(huán)境的軟件。 * *主要功能：主要功能： 文件管理文件管理、作業(yè)管理作業(yè)管理、進(jìn)程管理進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理設(shè)備管理 程序程序 輔存輔存 進(jìn)程調(diào)度與控制進(jìn)程調(diào)度與控制 程序執(zhí)行請(qǐng)求程序執(zhí)行請(qǐng)求 進(jìn)程進(jìn)程 面向軟件的硬件管理面向軟件的硬件管理 * *進(jìn)程的調(diào)度與控制：進(jìn)程的調(diào)度

21、與控制： 調(diào)度調(diào)度在在適當(dāng)時(shí)候適當(dāng)時(shí)候、按照、按照一定算法一定算法確定即將運(yùn)行的進(jìn)程；確定即將運(yùn)行的進(jìn)程； 如優(yōu)先級(jí)、輪轉(zhuǎn)、先來(lái)先服務(wù)如優(yōu)先級(jí)、輪轉(zhuǎn)、先來(lái)先服務(wù) 如時(shí)間片已滿、有如時(shí)間片已滿、有I/OI/O請(qǐng)求、進(jìn)程結(jié)束請(qǐng)求、進(jìn)程結(jié)束 控制控制調(diào)度完成時(shí)，控制上行調(diào)度完成時(shí)，控制上行/ /下行進(jìn)程的下行進(jìn)程的環(huán)境切換環(huán)境切換CPUCPU時(shí)間時(shí)間OSOS進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程1 1進(jìn)程進(jìn)程2 2進(jìn)程進(jìn)程3 322四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程指令指令類型類型指令格式指令格式操作碼操作碼OPOP地址碼地址碼ADDRADDR取數(shù)取數(shù)001001* * * * * *存數(shù)存數(shù)010010*

22、 * * * * *加法加法011011* * * * * *停機(jī)停機(jī)100100無(wú)效無(wú)效1 1、機(jī)器語(yǔ)言程序的形成、機(jī)器語(yǔ)言程序的形成 * *假設(shè)的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)：假設(shè)的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)：* *y=x+by=x+b的機(jī)器語(yǔ)言程序：的機(jī)器語(yǔ)言程序： 有編程和編譯兩個(gè)步驟，有編程和編譯兩個(gè)步驟， 指令與數(shù)據(jù)等同存儲(chǔ)指令與數(shù)據(jù)等同存儲(chǔ)在在MMMM中中地址地址程序中指令程序中指令注釋注釋OPOPADDRADDR0 0001 001 0010000100 ACxACx 1 1011 011 0010100101 AC(AC)AC(AC)bb2 2010 00110010 00110 y(ACy(AC)

23、)3 3101 101 * * * * * * 停機(jī)停機(jī)4 4x x原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)x x5 5b b原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)b b6 6y y結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)y y指令指令類型類型指令指令( (操作操作) )功能功能取數(shù)取數(shù) ACADDRACADDR存數(shù)存數(shù) ADDR(AC)ADDR(AC)加法加法 AC(AC)AC(AC)ADDRADDR停機(jī)停機(jī) 程序執(zhí)行結(jié)束程序執(zhí)行結(jié)束232 2、計(jì)算機(jī)硬件的工作過(guò)程、計(jì)算機(jī)硬件的工作過(guò)程 思考：思考：MAR/MDRMAR/MDR對(duì)寫(xiě)對(duì)寫(xiě)MEMMEM操作的影響？操作的影響？CPUCPUI/OI/O設(shè)備設(shè)備AddrAddrDataDataCmdCmd控制信號(hào)控制信

24、號(hào)形成部件形成部件時(shí)序時(shí)序部件部件IDID+ +“1 1”I/OI/O接口接口ACACALUALUIRIRPCPC存儲(chǔ)存儲(chǔ)陣列陣列I/OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線MARMARMDRMDR主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器與與REGaREGa、REGdREGd等無(wú)關(guān)等無(wú)關(guān)(0)(0)REGaMARREGaMAR(1)MARABus(1)MARABus、ReadCBusReadCBus(2)(2)WaitMFCWaitMFC、結(jié)束時(shí)、結(jié)束時(shí)DBusMDRDBusMDR(3)(3)MDRREGdMDRREGd1618REGaREGa、REGdREGd被占用被占用( (總線總線) ) * *MA

25、R/MDRMAR/MDR對(duì)訪存操作過(guò)程的影響：對(duì)訪存操作過(guò)程的影響：以讀以讀MEMMEM為例為例 (1)(1)REGaREGaABusABus、ReadCBusReadCBus (2) (2)WaitMFCWaitMFC、結(jié)束時(shí)、結(jié)束時(shí)DBusDBusREGdREGd24(1)(1)指令執(zhí)行過(guò)程指令執(zhí)行過(guò)程 有取指令、分析指令、執(zhí)行指令有取指令、分析指令、執(zhí)行指令3 3個(gè)步驟個(gè)步驟 * *取數(shù)指令取數(shù)指令的執(zhí)行過(guò)程：的執(zhí)行過(guò)程：以以ACXACX為例為例MDRMDR主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MARMARMDRMDR運(yùn)算器運(yùn)算器ALUALUACAC控制信控制信號(hào)形成號(hào)形成時(shí)序時(shí)序部件部件PCPCIRIRID

26、ID控制器控制器+ +“1 1”MARMARPCPC+ +“1 1”IRIRIDIDPCPCMARMARX XMDRMDRACAC * *加法指令加法指令的執(zhí)行過(guò)程：的執(zhí)行過(guò)程：以以AC(AC)+YAC(AC)+Y為例為例主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MARMARMDRMDR運(yùn)算器運(yùn)算器ALUALUACAC控制信控制信號(hào)形成號(hào)形成時(shí)序時(shí)序部件部件PCPCIRIRIDID控制器控制器+ +“1 1”P(pán)CPCIRIRIDIDMARMARMDRMDRY YALUALUACAC1725(2)(2)程序執(zhí)行過(guò)程程序執(zhí)行過(guò)程 * *程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法：程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法： -控制器指揮與控制控制器指揮與控制 取指取指(

27、PC)MMIR(PC)MMIR，； 分析分析(IR)IDCU(IR)IDCU； 執(zhí)行執(zhí)行實(shí)現(xiàn)指令約定操作實(shí)現(xiàn)指令約定操作( (指令轉(zhuǎn)移時(shí)指令轉(zhuǎn)移時(shí)) )； 循環(huán)循環(huán)若無(wú)若無(wú)中斷執(zhí)行的要求中斷執(zhí)行的要求，17 例例y=x+by=x+b的機(jī)器語(yǔ)言程序執(zhí)行過(guò)程的機(jī)器語(yǔ)言程序執(zhí)行過(guò)程: : 0000000000 001 00100001 00100 AC ACx 0000100001 011 00101011 00101 AC(AC)+ AC(AC)+b 0001000010 010 00100010 00100 y(AC y(AC) ) 0001100011 101 101 * * * * * *

28、停機(jī)停機(jī) * *程序執(zhí)行的初始條件：程序執(zhí)行的初始條件： (a)(a)程序及數(shù)據(jù)程序及數(shù)據(jù)已存放在已存放在主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MMMM中；中； (b)(b)PCPC內(nèi)容內(nèi)容已經(jīng)為已經(jīng)為即將執(zhí)行的程序首條指令地址即將執(zhí)行的程序首條指令地址2624 ；MARMARPCPC0000000000，取指開(kāi)始，取指開(kāi)始；PCPC0000100001（下條地址）（下條地址）；IRIR001 00100001 00100， 取指完成取指完成；CUCU得知當(dāng)前為得知當(dāng)前為取數(shù)取數(shù)指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)

29、1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對(duì)對(duì)OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼 ；MARMARPCPC0000100001，取指開(kāi)始，取指開(kāi)始；PCPC0001000010（下條地址）（下條地址）；IRIR011 00101011 00101， 取指完成取指完成；CUCU得知當(dāng)前為得知當(dāng)前為加法加法指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對(duì)對(duì)OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼 ；MARMAR0010000100，執(zhí)行開(kāi)始，執(zhí)行開(kāi)始 ；ACACMDRMDRx，執(zhí)行

30、完成，執(zhí)行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、ReadCbusReadCbusWaitMFCWaitMFC MDRACMDRAC ；MARMAR0010100101，執(zhí)行開(kāi)始，執(zhí)行開(kāi)始 ；ACACxb， 執(zhí)行完成執(zhí)行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC (MDR)(MDR)(AC)AC(AC)AC27機(jī)器自動(dòng)停機(jī)機(jī)器自動(dòng)停機(jī)；執(zhí)行停機(jī)指令完成；執(zhí)行停機(jī)指令完成21212517 ；MARMARPCPC0001000010，取指開(kāi)始，取指開(kāi)始；PCPC00011000

31、11（下條地址）（下條地址）；IRIR010 00110010 00110， 取指完成取指完成；CUCU得知當(dāng)前為得知當(dāng)前為存數(shù)存數(shù)指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對(duì)對(duì)OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼 ；MARMARPCPC0001100011，取指開(kāi)始，取指開(kāi)始；PCPC0010000100（下條地址）（下條地址）；IRIR100 100 * * * * * *， 取指完成取指完成；CUCU得知當(dāng)前為得知當(dāng)前為停機(jī)停機(jī)指令指令PCMARPCMAR、

32、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對(duì)對(duì)OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼；MARMAR0011000110， 執(zhí)行開(kāi)始執(zhí)行開(kāi)始；MDRMDRACACxb，執(zhí)行完成，執(zhí)行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、WriteCbusWriteCbusACMDRACMDR、MDRDBusMDRDBus、WaitMFCWaitMFC 283 3、程序的執(zhí)行管理、程序的執(zhí)行管理(1)(1)程序的執(zhí)行請(qǐng)求方式程序的執(zhí)行請(qǐng)求方式 * *方式方式2 2：支持多種請(qǐng)求方式

33、，由支持多種請(qǐng)求方式，由OSOS進(jìn)行程序的執(zhí)行管理進(jìn)行程序的執(zhí)行管理 * *方式方式1 1：從主存固定位置開(kāi)始執(zhí)行從主存固定位置開(kāi)始執(zhí)行 應(yīng)用應(yīng)用常用于常用于計(jì)算機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)計(jì)算機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)的程序執(zhí)行的程序執(zhí)行( (如如BIOSBIOS程序程序) ) 要求要求主存由主存由RAMRAM及及ROMROM組成組成 執(zhí)行請(qǐng)求方式執(zhí)行請(qǐng)求方式 用戶交互式請(qǐng)求，用戶交互式請(qǐng)求，BOOTBOOT程序請(qǐng)求，程序請(qǐng)求，OSOS的定時(shí)任務(wù)請(qǐng)求；的定時(shí)任務(wù)請(qǐng)求； 執(zhí)行請(qǐng)求管理執(zhí)行請(qǐng)求管理 OSOS通過(guò)通過(guò)作業(yè)管理機(jī)構(gòu)作業(yè)管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)的登錄、調(diào)度等管理進(jìn)行作業(yè)的登錄、調(diào)度等管理2129(2)(2)程序的執(zhí)行準(zhǔn)備程序的

34、執(zhí)行準(zhǔn)備 ( (即作業(yè)登錄即作業(yè)登錄) )(3)(3)程序的執(zhí)行管理程序的執(zhí)行管理 ( (即進(jìn)程管理即進(jìn)程管理) ) * *進(jìn)程調(diào)度：進(jìn)程調(diào)度：在適當(dāng)時(shí)候、按照一定算法選擇即將運(yùn)行的進(jìn)程在適當(dāng)時(shí)候、按照一定算法選擇即將運(yùn)行的進(jìn)程 * *進(jìn)程控制：進(jìn)程控制：導(dǎo)入所選導(dǎo)入所選PCBPCB的硬件相關(guān)內(nèi)容的硬件相關(guān)內(nèi)容( (如程序首址如程序首址) )到到CPUCPU中中創(chuàng)建創(chuàng)建PCBPCB拷貝程序拷貝程序填充填充PCBPCBCPUCPUMEMMEMDISKDISK導(dǎo)入硬件相關(guān)內(nèi)容導(dǎo)入硬件相關(guān)內(nèi)容按按(PC)(PC)取并執(zhí)行指令取并執(zhí)行指令 * *加載程序：加載程序： -硬件資源管理所需硬件資源管理所需

35、 為進(jìn)程為進(jìn)程申請(qǐng)主存申請(qǐng)主存，將，將程序文件內(nèi)容拷貝到主存程序文件內(nèi)容拷貝到主存，并將相關(guān)，并將相關(guān)信息信息( (如程序首指令地址等如程序首指令地址等) )填到填到PCBPCB中中； * *創(chuàng)建進(jìn)程：創(chuàng)建進(jìn)程： -軟件環(huán)境管理所需軟件環(huán)境管理所需 建立建立進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊PCBPCB( (含程序文件名、進(jìn)程含程序文件名、進(jìn)程IDID、進(jìn)程狀態(tài)等、進(jìn)程狀態(tài)等) )；PCBPCB * *進(jìn)程執(zhí)行：進(jìn)程執(zhí)行：CPUCPU自動(dòng)自動(dòng)按按PCPC值取指令并執(zhí)行值取指令并執(zhí)行( (為進(jìn)程的指令為進(jìn)程的指令) )21301.3 1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、

36、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo) * *系統(tǒng)性能：系統(tǒng)性能：指在指在計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟件的性能計(jì)算機(jī)軟件的性能1 1、硬件性能參數(shù)、硬件性能參數(shù) * *機(jī)器字長(zhǎng)：機(jī)器字長(zhǎng)：指指CPUCPU一次能處理一次能處理的二進(jìn)制位數(shù)。的二進(jìn)制位數(shù)。 指指ALUALU一次能處理的一次能處理的 n n位位CPUCPU指機(jī)器字長(zhǎng)為指機(jī)器字長(zhǎng)為n n個(gè)二進(jìn)制位的個(gè)二進(jìn)制位的CPUCPU； 例如，例如，Core 2 CPUCore 2 CPU為為6464位位CPUCPU 對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)性能的影響機(jī)器字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理性能越好；機(jī)器字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理性能越好； (應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度機(jī)器字長(zhǎng)時(shí)，需分次運(yùn)

37、算應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度機(jī)器字長(zhǎng)時(shí)，需分次運(yùn)算) ) 對(duì)其它硬件的影響對(duì)其它硬件的影響直接影響直接影響ALUALU、REGREG長(zhǎng)度，長(zhǎng)度， 間接影響存儲(chǔ)字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)總線位數(shù)間接影響存儲(chǔ)字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)總線位數(shù)31 * *機(jī)器主頻：機(jī)器主頻：指指CPUCPU內(nèi)部?jī)?nèi)部主時(shí)鐘主時(shí)鐘脈沖的頻率，常用脈沖的頻率，常用f f 表示。表示。 主頻單位主頻單位1GHz=11GHz=110103 3MHz=1MHz=110106 6KHz=1KHz=110109 9HzHz； * *存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)容量：指存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的總位數(shù)。指存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的總位數(shù)。 主存容量主存容量容量容量S S = =存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單

38、元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)字長(zhǎng)；存儲(chǔ)字長(zhǎng)； 輔存容量輔存容量容量容量S S = =存儲(chǔ)塊個(gè)數(shù)存儲(chǔ)塊個(gè)數(shù)存儲(chǔ)塊長(zhǎng)度；存儲(chǔ)塊長(zhǎng)度； 最大主存容量最大主存容量CPUCPU能夠訪問(wèn)的主存最大容量，它決定了能夠訪問(wèn)的主存最大容量，它決定了CPUCPU的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量 數(shù)據(jù)線位數(shù)：數(shù)據(jù)線位數(shù)：通常通常= =機(jī)器字長(zhǎng)或存儲(chǔ)字長(zhǎng)，機(jī)器字長(zhǎng)或存儲(chǔ)字長(zhǎng)， 地址線位數(shù)：地址線位數(shù)：=log=log2 2( (最大主存容量最大主存容量/ /數(shù)據(jù)線位數(shù)數(shù)據(jù)線位數(shù)) ) 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期CPUCPU內(nèi)部基本操作的時(shí)長(zhǎng)，常用內(nèi)部基本操作的時(shí)長(zhǎng)，常用T TC C表示；表示； f f 與與T TC C關(guān)系關(guān)系倒數(shù)關(guān)系，

39、即倒數(shù)關(guān)系，即f f =1/=1/T TC C 容量單位容量單位1GB=11GB=12 21010MB=1MB=12 22020KB=1KB=12 23030B=8B=82 23030bitbit； 思考：思考：為何不用存儲(chǔ)字長(zhǎng)或機(jī)器字長(zhǎng)為單位？為何不用存儲(chǔ)字長(zhǎng)或機(jī)器字長(zhǎng)為單位？32 * *響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：指一個(gè)任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時(shí)間，指一個(gè)任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時(shí)間， 即即 T T響應(yīng)響應(yīng)= =T TCPUCPU+ +T TI/OI/O等待等待，T TCPUCPU= =T T運(yùn)算運(yùn)算+ +T TMEMMEM+ +T TI/OI/O2 2、系統(tǒng)性能指標(biāo)、系統(tǒng)性能指標(biāo) 時(shí)間是

40、唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要有時(shí)間是唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要有響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間和和吞吐量吞吐量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)。兩個(gè)指標(biāo)。 特點(diǎn)特點(diǎn)反映了反映了單任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的的軟硬件總體性能軟硬件總體性能優(yōu)化：優(yōu)化：CPUCPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它程序 多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) CPU CPU時(shí)間時(shí)間T TCPUCPU= =I IN N CPICPIT TC C= = n n為為指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的指令種類數(shù)，的指令種類數(shù)，CPICPIi i為為第第i i 種指令種指令所需時(shí)鐘周期數(shù)；所需時(shí)鐘周期數(shù)； I IN N 為為程序程序執(zhí)行的總指令數(shù)執(zhí)行的總指令數(shù)(程序包含的指令數(shù)，但有關(guān)聯(lián)程序包含的指令數(shù)，但有關(guān)

41、聯(lián)) )； I Ii i為第為第i i 種指令的執(zhí)行次數(shù)，種指令的執(zhí)行次數(shù)，CPICPI為為每條指令平均每條指令平均所需時(shí)鐘周期數(shù)所需時(shí)鐘周期數(shù); ; T TC C為為時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期，是機(jī)器主頻的倒數(shù)，是機(jī)器主頻的倒數(shù)C1CPITIniii T TCPUCPU與與程序算法、編譯程序、指令系統(tǒng)、程序算法、編譯程序、指令系統(tǒng)、CPICPIi i及及T TC C均相關(guān)均相關(guān)33 例例11某計(jì)算機(jī)主頻為某計(jì)算機(jī)主頻為2GHz2GHz，指令系統(tǒng)只有，指令系統(tǒng)只有類指令及類指令及類類指令，指令長(zhǎng)度分別為指令，指令長(zhǎng)度分別為1B1B及及2B2B，指令執(zhí)行時(shí)間分別為，指令執(zhí)行時(shí)間分別為5 5個(gè)及個(gè)及8 8個(gè)

42、時(shí)個(gè)時(shí)鐘周期。程序鐘周期。程序A A的大小為的大小為2MB2MB，其中，其中30%30%空間為空間為類指令；程序類指令；程序A A執(zhí)執(zhí)行時(shí)，所有指令中共有行時(shí)，所有指令中共有20%20%的指令需重復(fù)執(zhí)行的指令需重復(fù)執(zhí)行3030次，在這些重復(fù)次，在這些重復(fù)執(zhí)行的指令中，有執(zhí)行的指令中，有40%40%為為類指令。求完成程序類指令。求完成程序A A的的CPUCPU時(shí)間。時(shí)間。 解：解：程序程序A A包含的包含的類指令數(shù)類指令數(shù)=(2MB=(2MB30%)/1B=0.630%)/1B=0.62 22020條，條， 類指令數(shù)類指令數(shù)=(2MB=(2MB70%)/2B=0.770%)/2B=0.72 22

43、020條；條； 重復(fù)執(zhí)行的指令數(shù)重復(fù)執(zhí)行的指令數(shù)=(0.6=(0.62 22020+0.7+0.72 22020) )20%=0.2620%=0.262 22020條條; ; 執(zhí)行的執(zhí)行的類指令數(shù)類指令數(shù)=0.6=0.62 22020+0.26+0.262 2202060%60%2929次，次， 類指令數(shù)類指令數(shù)=0.7=0.72 22020+0.26+0.262 2202040%40%2929次次； T TCPUCPU=5.124=5.1242 220205 5T TC C+3.716+3.7162 220208 8T TC C =(25.62+29.728) =(25.62+29.728)

44、2 22020T TC C=55.348=55.3482 22020(2(210109 9) ) 29ms 29ms3134 特點(diǎn)特點(diǎn)反映了反映了多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的的軟硬件總體性能軟硬件總體性能 MIPS(MIPS(每秒百萬(wàn)次指令每秒百萬(wàn)次指令) )66Cmax610CPI10CPI1MIPS10MIPS fT主頻程序執(zhí)行時(shí)間程序執(zhí)行的指令條數(shù) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能反映不能反映指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)功能強(qiáng)弱功能強(qiáng)弱( (可用相對(duì)可用相對(duì)MIPSMIPS法法) ) 表示表示因工作量無(wú)統(tǒng)一定義，通常用因工作量無(wú)統(tǒng)一定義，通常用MIPSMIPS及及MFLOPSMFLOPS代替代替 * *吞吐量

45、：吞吐量：又稱吞吐率，指單位時(shí)間內(nèi)能處理的工作量，又稱吞吐率，指單位時(shí)間內(nèi)能處理的工作量， 即即 吞吐量吞吐量 = n n個(gè)任務(wù)的總工作量個(gè)任務(wù)的總工作量n n個(gè)任務(wù)的總時(shí)間個(gè)任務(wù)的總時(shí)間 MFLOPS(MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算) ) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：只反映了浮點(diǎn)操作能力，不能反映只反映了浮點(diǎn)操作能力，不能反映系統(tǒng)系統(tǒng)整體性能整體性能6610CPImaxMFLOPS10MFLOPS f時(shí)鐘頻率程序執(zhí)行時(shí)間數(shù)程序執(zhí)行的浮點(diǎn)操作次 * *其他：其他：RASRAS( (可靠性可靠性/ /可用性可用性/ /可維護(hù)可維護(hù)) )，兼容性等，兼容性等3235二、性能設(shè)計(jì)二、性能設(shè)計(jì)1

46、1、馮、馮諾依曼模型計(jì)算機(jī)的性能瓶頸諾依曼模型計(jì)算機(jī)的性能瓶頸 * *CPU-MEMCPU-MEM瓶頸：瓶頸：CPUCPU與與MEMMEM的速度差距越來(lái)越大的速度差距越來(lái)越大 CPUCPU速度速度4545倍倍/3/3年，年，得益于得益于VLSIVLSI技術(shù)、器件技術(shù)；技術(shù)、器件技術(shù)； MEMMEM速度速度1212倍倍/3/3年，年，受限于容量受限于容量- -速度速度- -成本的矛盾。成本的矛盾。 解決方案解決方案需需從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面解決兩者速度匹配問(wèn)題解決兩者速度匹配問(wèn)題 * *指令串行執(zhí)行瓶頸：指令串行執(zhí)行瓶頸：指令逐條執(zhí)行導(dǎo)致性能受限指令逐條執(zhí)行導(dǎo)致性能受限 解決方案解決方

47、案11快速串行處理快速串行處理，性能受器件技術(shù)的限制，改，性能受器件技術(shù)的限制，改進(jìn)效果不佳；進(jìn)效果不佳； 解決方案解決方案22并行處理并行處理，性能受串行程序指令間相關(guān)的限，性能受串行程序指令間相關(guān)的限制，需制，需從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面解決指令間相關(guān)問(wèn)題解決指令間相關(guān)問(wèn)題362 2、性能平衡設(shè)計(jì)、性能平衡設(shè)計(jì) 重點(diǎn)解決重點(diǎn)解決CPU-MEMCPU-MEM瓶頸瓶頸，減少訪存延遲、或提高訪存效率，減少訪存延遲、或提高訪存效率 * *增設(shè)增設(shè)CacheCache：減少訪存延遲，減少訪問(wèn)主存頻率；減少訪存延遲，減少訪問(wèn)主存頻率； * *增加總線數(shù)據(jù)寬度：增加總線數(shù)據(jù)寬度：提高訪存效率，以減

48、少訪存次數(shù)；提高訪存效率，以減少訪存次數(shù)； * *采用多級(jí)總線：采用多級(jí)總線：主存連接在最快速總線上，減少訪存延遲主存連接在最快速總線上，減少訪存延遲3 3、CPUCPU性能設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì) 重點(diǎn)解決重點(diǎn)解決指令串行執(zhí)行瓶頸指令串行執(zhí)行瓶頸，提高并行性、或減少并行性能，提高并行性、或減少并行性能的損失的損失 * *開(kāi)發(fā)并行技術(shù)：開(kāi)發(fā)并行技術(shù)：操作級(jí)流水操作級(jí)流水操作級(jí)并行操作級(jí)并行指令級(jí)并行；指令級(jí)并行； ( (流水線流水線) (SSE) () (SSE) (超標(biāo)量流水超標(biāo)量流水) ) * *采用數(shù)據(jù)流技術(shù)：采用數(shù)據(jù)流技術(shù)：按序執(zhí)行按序執(zhí)行亂序執(zhí)行；亂序執(zhí)行； ( (程序順序程序順序) () (指

49、令就緒順序指令就緒順序) ) * *使用轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)：使用轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)：按預(yù)測(cè)方向先執(zhí)行，猜錯(cuò)時(shí)再回頭執(zhí)行按預(yù)測(cè)方向先執(zhí)行，猜錯(cuò)時(shí)再回頭執(zhí)行1113371.4 1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷史一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷史第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代年代年代1946194619571957 1958195819641964 1965196519711971197219721990199019911991元器件元器件電子管電子管晶體管晶體管SSISSI、MSIMSILSILSI、VLSIVLSIULSIULSI主存主存磁心磁心半導(dǎo)體半

50、導(dǎo)體輔存輔存紙帶、磁帶紙帶、磁帶磁盤(pán)磁盤(pán)光盤(pán)光盤(pán)字長(zhǎng)字長(zhǎng)4/84/88/16/328/16/3232/6432/64速度速度( (次次/s)/s)40,00040,000200,000200,0001,000,0001,000,000 10,000,00010,000,000 100,000,000100,000,0001 1、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展 * *發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：向大型機(jī)、微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展向大型機(jī)、微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展 * *研究重點(diǎn)：研究重點(diǎn)：器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)382 2、微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展、微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展微處理器微處理器字長(zhǎng)字

51、長(zhǎng)主頻主頻地址線數(shù)地址線數(shù) 數(shù)據(jù)線數(shù)數(shù)據(jù)線數(shù)其他其他年代年代808080808 8實(shí)模式實(shí)模式197419748086808616164.77MHz4.77MHz20201616197819788088808816164.77MHz4.77MHz20208 81979197980286802861616 6MHz 6MHz24241616保護(hù)模式保護(hù)模式198219828038680386323212.5MHz12.5MHz32323232虛擬虛擬80868086模式、模式、虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器、CacheCache1985198580486804863232 25MHz 25MHz32323

52、232RISCRISC、流水線流水線19891989PentiumPentium3232 66MHz 66MHz32326464超標(biāo)量流水超標(biāo)量流水、MMXMMX19931993Pentium ProPentium Pro3232 133MHz 133MHz36366464超級(jí)流水、超級(jí)流水、動(dòng)態(tài)執(zhí)行動(dòng)態(tài)執(zhí)行19951995Pentium Pentium 3232 200MHz 200MHz36366464DIBDIB19971997Pentium Pentium 3232 450MHz 450MHz36366464SSESSE、非阻塞、非阻塞CacheCache19991999Pentium

53、 4Pentium 43232 1.3GHz 1.3GHz36366464SSE2SSE2、總線技術(shù)、總線技術(shù)20002000Core 2 DuoCore 2 Duo3232 1.6GHz 1.6GHz雙核雙核20062006 * *微處理器發(fā)展趨勢(shì)：微處理器發(fā)展趨勢(shì)：提高復(fù)雜度提高復(fù)雜度( (增加功能增加功能) )，開(kāi)發(fā)指令級(jí)，開(kāi)發(fā)指令級(jí)/ /線線程級(jí)程級(jí)/ /內(nèi)核級(jí)并行性，集成存儲(chǔ)器，發(fā)展嵌入式處理器內(nèi)核級(jí)并行性，集成存儲(chǔ)器，發(fā)展嵌入式處理器39二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展歷史二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展歷史1 1、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展 機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)用語(yǔ)言應(yīng)用語(yǔ)言 * *高級(jí)語(yǔ)言例：高級(jí)語(yǔ)言例： FORTRANFORTRAN、PASCALPASCAL、C/C+C/C+、JavaJava2 2、系統(tǒng)軟件的發(fā)展、系統(tǒng)軟件的發(fā)展 * *語(yǔ)言處理程序：語(yǔ)言處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序；匯編程序、編譯程序、解釋程序； * *操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)：DOSDOS、UNIXUNIX、WindowsWindows； ( (多道程序、分時(shí)多道程序、分時(shí)/ /實(shí)