计算机组成原理计算机系统概论课件

第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论11.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介一、计算机系统的软硬件一、计算机系统的软硬件 *电子计算机：电子计算机：数据存储、数据传送、数据处理，过程控制数据存储、数据传送、数据处理，过程控制 *计算机系统的组成：计算机系统的组成：具有具有特定功能特定功能的信息的信息(程序程序)。如系统程序、应用程序如系统程序、应用程序计算机计算机系统系统表示应用需求表示应用需求 是采用是采用按位及跳动式计算按位及跳动式计算、能够、能够根据逻辑判断结果控制计根据逻辑判断结果控制计算过程算过程的电子式的电子式机器机器 *计算机的功能：计算机的功能：计算机的物理实体；计算机的物理实体；如主机、外设等如主机、外设等计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件2 功能的实现方式功能的实现方式 *计算机系统功能的实现方式：计算机系统功能的实现方式：解题过程解题过程解题结果运行运行 *计算机系统组成的特性：计算机系统组成的特性：软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映 硬件硬件具备具备具备具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能数据的存储、传送及处理和过程控制功能 软件软件表示表示表示表示应用的数据处理及过程控制需求应用的数据处理及过程控制需求 程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)执行软件执行软件实现实现实现实现应用的数据处理及过程控制功能应用的数据处理及过程控制功能用用 户户输入设备输入设备输出设备输出设备处理设备处理设备存储设备存储设备目标程序(机器语言)源程序(高级语言)编辑编辑 编译编译3二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构直接执行机器指令直接执行机器指令机器语言级机器机器语言级机器 M1 M1用用机器语言机器语言编程编程汇编语言级机器汇编语言级机器 M3 M3用用汇编语言汇编语言编程编程用用汇编程序汇编程序翻译翻译 成机器语言程序成机器语言程序高级语言级机器高级语言级机器 M4 M4用用高级语言高级语言编程编程用用编译程序编译程序翻译翻译 成汇编语言程序成汇编语言程序 或机器语言程序或机器语言程序操作系统级机器操作系统级机器 M2 M2使用使用操作系统命令操作系统命令用用机器语言机器语言解释解释 操作系统命令操作系统命令 微程序级机器微程序级机器 M0 M0使用使用微指令系统微指令系统用用微程序微程序解释解释 机器指令机器指令直接执行微指令直接执行微指令虚拟机器虚拟机器实际机器实际机器4三、计算机结构与组成三、计算机结构与组成 *计算机系统结构：计算机系统结构：机器语言程序员机器语言程序员所看到的所看到的计算机属性计算机属性 概念性结构和功能特性概念性结构和功能特性数字电路级机器数字电路级机器指令系统、数据表示、寻址方式指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统，存储系统，I/OI/O系统、信息保护等系统、信息保护等机器语言级机器机器语言级机器 M1 M1 微程序级机器微程序级机器 M0 M0硬件硬件软件软件汇编语言级机器汇编语言级机器 M3 M3高级语言级机器高级语言级机器 M4 M4操作系统级机器操作系统级机器 M2 M2软硬件软硬件交界面交界面 *计算机组成：计算机组成：实现计算机系统结构时实现计算机系统结构时所体现的计算机属性所体现的计算机属性指令功能逻辑实现、部件组成、指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等控制机构、排队及缓冲技术等器件技术、组装技术等器件技术、组装技术等 *计算机实现：计算机实现：实现计算机组成时实现计算机组成时所体现的计算机属性所体现的计算机属性5 *相互关系：相互关系：计算机系统结构计算机系统结构确定软硬件功能分配及其界面特性；确定软硬件功能分配及其界面特性；计算机组成计算机组成逻辑实现系统结构的内容；逻辑实现系统结构的内容；计算机实现计算机实现物理实现计算机组成的内容物理实现计算机组成的内容举例举例系统结构系统结构计算机组成计算机组成计算机实现计算机实现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还是加法乘法器还是加法+移位移位器件、电路器件、电路主存系统主存系统最大容量、编址方式最大容量、编址方式 速度保证、单体速度保证、单体/多体多体MEMMEM总线总线带宽带宽信号线数、时钟、传输方式信号线数、时钟、传输方式61.2 1.2 计算机系统基本组成计算机系统基本组成一、一、冯冯诺依曼模型计算机诺依曼模型计算机 *结构与组成：结构与组成：由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成，由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成，以运算器为中心以运算器为中心；输入设备输入设备存储器存储器运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备注：注：数据信息数据信息 指令信息指令信息 控制信息控制信息 状态信息状态信息 *数据表示与运算：数据表示与运算：指令及数据均用指令及数据均用二进制方式二进制方式表示，运算亦采用表示，运算亦采用二进制方式二进制方式7 *指令组成：指令组成：由由操作码操作码及及地址码地址码组成；组成；010 010 01000 01000 1000010000 例：若加法运算的操作码用例：若加法运算的操作码用010010表示，第表示，第0100001000号与第号与第1000010000号两个存储单元内容相加的操作可表示为：号两个存储单元内容相加的操作可表示为：表示操作的性质表示操作的性质表示操作数在存储器中的位置表示操作数在存储器中的位置 *存储程序原理存储程序原理程序存储方式：程序存储方式：指令及数据预先存放指令及数据预先存放(以等同地位以等同地位)在存储器中；在存储器中；*存储器结构：存储器结构：由由定长单元定长单元构成构成的的一维一维空间空间，存储器，存储器按地址按地址访问访问；操作码操作码 地址码地址码1 1 地址码地址码2 28 *存储程序原理存储程序原理程序控制机制：程序控制机制：按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。循环的循环的 指令执行过程指令执行过程物理物理顺序序(指令地址指令地址)指令内容指令内容程序程序逻辑顺序序A+0A+0 int nCount=0 int nCount=0；A+1A+1 int nSum=0 int nSum=0；A+2A+2LP:nSum+=nCountLP:nSum+=nCount；A+3A+3 nCount+nCount+；A+4A+4if(nCount4)if(nCountnSum COUTnSum；取指令取指令过程过程执行指令执行指令过程过程指令地址指令地址+“1 1”指令发生指令发生转移时转移时下条指令地址下条指令地址 由当前指令产生由当前指令产生9二、二、计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成1 1、计算机硬件的结构、计算机硬件的结构 现代计算机均在冯现代计算机均在冯诺依曼模型基础上进行诺依曼模型基础上进行改进改进 *采用采用以存储器为中心以存储器为中心的结构：的结构：使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备结果结果程序程序数据数据控制器控制器运算器运算器直接存储器访直接存储器访问问(DMA)(DMA)技术技术缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲技术缓冲技术810 *由由多种存储器多种存储器构成存储系统：构成存储系统：解决速度解决速度-容量容量-价格间的矛盾，有利于提高性能价格间的矛盾，有利于提高性能/价格价格主存主存(内存内存)辅存辅存(外存外存)计算机计算机硬件硬件运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备CPUCPU主机主机I/OI/O设备设备(外设外设)I/O设备设备主主存存储储器器MM控制单元控制单元CUCPU算术逻辑单元算术逻辑单元ALU主机主机包含辅存包含辅存(如如DISKDISK等等)11 *采用采用总线互连总线互连形式：形式：实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口1 1MEMMEM总线总线I/OI/O设备设备1 1I/OI/O接口接口nI/OI/O设备设备n总线桥总线桥I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备I/OI/O总线总线非标准格式非标准格式标准格式标准格式按地址访问按地址访问min 所连所连I/OI/O设备设备速度速度 122 2、计算机部件的基本组成、计算机部件的基本组成(1)(1)存储器存储器 *功能：功能：存储存储程序和数据、通过读程序和数据、通过读/写操作写操作接收接收/提供提供信息信息地址地址存储阵列存储阵列I/OI/O电路电路地址译码器地址译码器数据数据命令命令 *术语：术语：存储元件存储元件(存储元存储元)可存储一个二进制位的可存储一个二进制位的元件元件；存储单元存储单元可可同时存储同时存储一串二进制位的一串二进制位的元件元件；存储字存储字存储单元存储单元内存储的二进制编码；内存储的二进制编码；存储阵列存储阵列所有存储单元的集合所有存储单元的集合 存储单元地址存储单元地址每个存储单元被赋予的惟一每个存储单元被赋予的惟一编号编号 存储容量存储容量存储阵列可存储的存储阵列可存储的二进制位数二进制位数0 01 1n-1-10 0 1 1 w-1-10 01 1n-1-1存储字长存储字长W存储字存储字 *组成：组成：13 *完成操作的过程：完成操作的过程：读操作读操作接收地址及命令，内部操作；接收地址及命令，内部操作；输出数据输出数据I/OI/O电路电路地址译码器地址译码器001001ReadRead地址译码器地址译码器I/OI/O电路电路1#1#的存储字的存储字 写操作写操作接收地址及命令；接收地址及命令；接收数据，内部操作接收数据，内部操作14(2)(2)运算器运算器 *功能：功能：实现算术实现算术运算运算及逻辑运算，并及逻辑运算，并暂存暂存运算结果运算结果 *组成：组成：寄存器寄存器组组(堆堆)Func存储器存储器ALUALU寄存器型运算器寄存器型运算器ACACFunc存储器存储器ALUALU累加器型运算器累加器型运算器TEMPTEMP *(AC)+YAC *(AC)+YAC的运算过程：的运算过程：(0)(AC)(0)(AC)为被加数为被加数ACAC存储器存储器ALUALUTEMPTEMPACACFuncTEMPTEMP (1)(1)加数加数YTEMPYTEMP (2)(AC)(2)(AC)(TEMP)(TEMP)(3)ALU (3)ALU结果结果ACAC 约定：约定：约定：约定：(X)(X)表示寄存器表示寄存器X X中内容，中内容，YY表示存储单元表示存储单元Y Y中内容中内容15(3)(3)控制器控制器 *功能：功能：指挥及控制指挥及控制各部件协调地工作，以各部件协调地工作，以实现程序执行过程实现程序执行过程 *程序执行过程：程序执行过程：循环循环的的指令执行过程指令执行过程(取指令及执行指令取指令及执行指令)；下条指令地址下条指令地址由当前指令产生由当前指令产生(按程序逻辑顺序按程序逻辑顺序)指令地址指令地址寄存器寄存器PCPC存储器存储器指令内容指令内容寄存器寄存器IRIR指令译码指令译码器器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阶段取指阶段分析指令分析指令执行指令执行指令执行阶段执行阶段指令产生转移时指令产生转移时1016 *控制器功能的实现方法：控制器功能的实现方法：循环产生循环产生指令执行过程指令执行过程不同时段的不同时段的时标信号时标信号；在不同时段产生在不同时段产生当前指令执行所需的当前指令执行所需的部件控制信号部件控制信号 *组成：组成：指令寄存器指令寄存器IRIR程序计数器程序计数器PCPC指令译指令译码器码器IDID控制信号控制信号形成部件形成部件时序时序部件部件控制器控制器17(4)(4)输入输入/输出设备输出设备 *功能：功能：实现外部实现外部-内部信息的内部信息的输入输入/输出输出及及格式转换格式转换；*种类：种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等；键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等；*连接：连接：通过通过I/OI/O接口接口(又称适配器或控制器又称适配器或控制器)与总线连接，与总线连接，I/O I/O接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能主存主存系统总线系统总线主存控制器主存控制器CPUCPU用户交互接口用户交互接口键盘、鼠标等键盘、鼠标等磁盘适配器磁盘适配器磁盘磁盘通信接口通信接口串口等串口等总线接口总线接口BIUBIU18三、计算机软件的基本组成三、计算机软件的基本组成1 1、计算机软件分类、计算机软件分类 软件分为软件分为系统软件系统软件及及应用软件应用软件两大类。两大类。语言处理程序语言处理程序数据库管理系统数据库管理系统服务性程序服务性程序网络管理程序网络管理程序操作系统操作系统科学计算科学计算信息管理信息管理自动控制自动控制人工智能人工智能虚拟现实虚拟现实实际机器实际机器软硬件软硬件交界面交界面系统软件系统软件应用软件应用软件虚拟机器虚拟机器应用语言环境应用语言环境高级语言环境高级语言环境汇编语言环境汇编语言环境操作系统环境操作系统环境应用语言程序应用语言程序高级语言程序高级语言程序汇编语言程序汇编语言程序操作系统命令串操作系统命令串192 2、操作系统、操作系统(Operating System,OS)(Operating System,OS)OS OS是管理所有的硬件资源及软件环境的软件。是管理所有的硬件资源及软件环境的软件。*主要功能：主要功能：文件管理文件管理、作业管理作业管理、进程管理进程管理、存储管理存储管理、设备管理设备管理 程序程序 辅存辅存 进程调度与控制进程调度与控制 程序执行请求程序执行请求 进程进程 面向软件的硬件管理面向软件的硬件管理 *进程的调度与控制：进程的调度与控制：调度调度在在适当时候适当时候、按照、按照一定算法一定算法确定即将运行的进程；确定即将运行的进程；如优先级、轮转、先来先服务如优先级、轮转、先来先服务 如时间片已满、有如时间片已满、有I/OI/O请求、进程结束请求、进程结束 控制控制调度完成时，控制上行调度完成时，控制上行/下行进程的下行进程的环境切换环境切换CPUCPU时间时间OSOS进程进程进程进程1 1进程进程2 2进程进程3 320四、计算机系统的工作过程四、计算机系统的工作过程指令指令类型类型指令格式指令格式操作码操作码OPOP地址码地址码ADDRADDR取数取数001001*存数存数010010*加法加法011011*停机停机100100无效无效1 1、机器语言程序的形成、机器语言程序的形成 *假设的计算机指令系统：假设的计算机指令系统：*y=x+b*y=x+b的机器语言程序：的机器语言程序：有编程和编译两个步骤，有编程和编译两个步骤，指令与数据等同存储指令与数据等同存储在在MMMM中中地址地址程序中指令程序中指令注释注释OPOPADDRADDR0 0001 001 0010000100 ACxACx1 1011 011 0010100101 AC(AC)AC(AC)bb2 2010 00110010 00110 y(AC)y(AC)3 3101*101*停机停机4 4x x原始数据原始数据x x5 5b b原始数据原始数据b b6 6y y结果数据结果数据y y指令指令类型类型指令指令(操作操作)功能功能取数取数 ACADDRACADDR存数存数 ADDR(AC)ADDR(AC)加法加法 AC(AC)AC(AC)ADDRADDR停机停机 程序执行结束程序执行结束212 2、计算机硬件的工作过程、计算机硬件的工作过程 思考：思考：MAR/MDRMAR/MDR对写对写MEMMEM操作的影响？操作的影响？CPUCPUI/OI/O设备设备AddrAddrDataDataCmdCmd控制信号控制信号形成部件形成部件时序时序部件部件IDID+“1 1”I/OI/O接口接口ACACALUALUIRIRPCPC存储存储阵列阵列I/OI/O电路电路地址译码器地址译码器系统总线系统总线MARMARMDRMDR主存储器主存储器与与REGaREGa、REGdREGd等无关等无关(0)(0)REGaMARREGaMAR(1)MARABus(1)MARABus、ReadCBusReadCBus(2)(2)WaitMFCWaitMFC、结束时、结束时DBusMDRDBusMDR(3)(3)MDRREGdMDRREGd1618REGaREGa、REGdREGd被占用被占用(总线总线)*MAR/MDR *MAR/MDR对访存操作过程的影响：对访存操作过程的影响：以读以读MEMMEM为例为例 (1)(1)REGaREGaABusABus、ReadCBus ReadCBus (2)(2)WaitMFCWaitMFC、结束时、结束时DBusDBusREGdREGd22(1)(1)指令执行过程指令执行过程 有取指令、分析指令、执行指令有取指令、分析指令、执行指令3 3个步骤个步骤 *取数指令取数指令的执行过程：的执行过程：以以ACXACX为例为例MDRMDR主存储器主存储器MARMARMDRMDR运算器运算器ALUALUACAC控制信控制信号形成号形成时序时序部件部件PCPCIRIRIDID控制器控制器+“1 1”MARMARPCPC+“1 1”IRIRIDIDPCPCMARMARX XMDRMDRACAC *加法指令加法指令的执行过程：的执行过程：以以AC(AC)+YAC(AC)+Y为例为例主存储器主存储器MARMARMDRMDR运算器运算器ALUALUACAC控制信控制信号形成号形成时序时序部件部件PCPCIRIRIDID控制器控制器+“1 1”PCPCIRIRIDIDMARMARMDRMDRY YALUALUACAC1723(2)(2)程序执行过程程序执行过程 *程序执行的实现方法：程序执行的实现方法：-控制器指挥与控制控制器指挥与控制 取指取指(PC)MMIR(PC)MMIR，(PC)+“1”PC(PC)+“1”PC(PC)+“1”PC(PC)+“1”PC；分析分析(IR)IDCU(IR)IDCU；执行执行实现指令约定操作实现指令约定操作(指令转移时指令转移时重写重写重写重写PCPCPCPC)；循环循环若无若无中断执行的要求中断执行的要求，转转转转17 例例y=x+by=x+b的机器语言程序执行过程的机器语言程序执行过程: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*停机停机 *程序执行的初始条件：程序执行的初始条件：(a)(a)程序及数据程序及数据已存放在已存放在主存储器主存储器MMMM中；中；(b)(b)PCPC内容内容已经为已经为即将执行的程序首条指令地址即将执行的程序首条指令地址2424 ；MARMARPCPC0000000000，取指开始，取指开始；PCPC0000100001（下条地址）（下条地址）；IRIR001 00100001 00100，取指完成取指完成；CUCU得知当前为得知当前为取数取数指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID对对OP(IR)OP(IR)译码译码 ；MARMARPCPC0000100001，取指开始，取指开始；PCPC0001000010（下条地址）（下条地址）；IRIR011 00101011 00101，取指完成取指完成；CUCU得知当前为得知当前为加法加法指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID对对OP(IR)OP(IR)译码译码 ；MARMAR0010000100，执行开始，执行开始 ；ACACMDRMDRx，执行完成，执行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、ReadCbusReadCbusWaitMFC WaitMFC MDRACMDRAC ；MARMAR0010100101，执行开始，执行开始 ；ACACxb，执行完成执行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFC WaitMFC(MDR)(MDR)(AC)AC(AC)AC25机器自动停机机器自动停机；执行停机指令完成；执行停机指令完成21212517 ；MARMARPCPC0001000010，取指开始，取指开始；PCPC0001100011（下条地址）（下条地址）；IRIR010 00110010 00110，取指完成取指完成；CUCU得知当前为得知当前为存数存数指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID对对OP(IR)OP(IR)译码译码 ；MARMARPCPC0001100011，取指开始，取指开始；PCPC0010000100（下条地址）（下条地址）；IRIR100*100*，取指完成取指完成；CUCU得知当前为得知当前为停机停机指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID对对OP(IR)OP(IR)译码译码；MARMAR0011000110，执行开始执行开始；MDRMDRACACxb，执行完成，执行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、WriteCbusWriteCbusACMDRACMDR、MDRDBusMDRDBus、WaitMFCWaitMFC 263 3、程序的执行管理、程序的执行管理(1)(1)程序的执行请求方式程序的执行请求方式 *方式方式2 2：支持多种请求方式，由支持多种请求方式，由OSOS进行程序的执行管理进行程序的执行管理 *方式方式1 1：从主存固定位置开始执行从主存固定位置开始执行 应用应用常用于常用于计算机刚启动时计算机刚启动时的程序执行的程序执行(如如BIOSBIOS程序程序)要求要求主存由主存由RAMRAM及及ROMROM组成组成 执行请求方式执行请求方式 用户交互式请求，用户交互式请求，BOOTBOOT程序请求，程序请求，OSOS的定时任务请求；的定时任务请求；执行请求管理执行请求管理 OSOS通过通过作业管理机构作业管理机构进行作业的登录、调度等管理进行作业的登录、调度等管理2127(2)(2)程序的执行准备程序的执行准备 (即作业登录即作业登录)(3)(3)程序的执行管理程序的执行管理 (即进程管理即进程管理)*进程调度：进程调度：在适当时候、按照一定算法选择即将运行的进程在适当时候、按照一定算法选择即将运行的进程 *进程控制：进程控制：导入所选导入所选PCBPCB的硬件相关内容的硬件相关内容(如程序首址如程序首址)到到CPUCPU中中创建创建PCBPCB拷贝程序拷贝程序填充填充PCBPCBCPUCPUMEMMEMDISKDISK导入硬件相关内容导入硬件相关内容按按(PC)(PC)取并执行指令取并执行指令 *加载程序：加载程序：-硬件资源管理所需硬件资源管理所需 为进程为进程申请主存申请主存，将，将程序文件内容拷贝到主存程序文件内容拷贝到主存，并将相关，并将相关信息信息(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；*创建进程：创建进程：-软件环境管理所需软件环境管理所需 建立建立进程控制块进程控制块PCBPCB(含程序文件名、进程含程序文件名、进程IDID、进程状态等、进程状态等)；PCBPCB *进程执行：进程执行：CPUCPU自动自动按按PCPC值取指令并执行值取指令并执行(为进程的指令为进程的指令)21281.3 1.3 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标一、计算机系统的性能指标一、计算机系统的性能指标 *系统性能：系统性能：指在指在计算机硬件计算机硬件上运行的上运行的计算机软件的性能计算机软件的性能1 1、硬件性能参数、硬件性能参数 *机器字长：机器字长：指指CPUCPU一次能处理一次能处理的二进制位数。的二进制位数。指指ALUALU一次能处理的一次能处理的 n n位位CPUCPU指机器字长为指机器字长为n n个二进制位的个二进制位的CPUCPU；例如，例如，Core 2 CPUCore 2 CPU为为6464位位CPUCPU 对系统性能的影响对系统性能的影响机器字长越长，数据处理性能越好；机器字长越长，数据处理性能越好；(应用数据长度机器字长时，需分次运算应用数据长度机器字长时，需分次运算)对其它硬件的影响对其它硬件的影响直接影响直接影响ALUALU、REGREG长度，长度，间接影响存储字长、数据总线位数间接影响存储字长、数据总线位数29 *机器主频：机器主频：指指CPUCPU内部内部主时钟主时钟脉冲的频率，常用脉冲的频率，常用f f 表示。表示。主频单位主频单位1GHz=1101GHz=1103 3MHz=110MHz=1106 6KHz=110KHz=1109 9HzHz；*存储容量：存储容量：指存储器可存储二进制信息的总位数。指存储器可存储二进制信息的总位数。主存容量主存容量容量容量S S=存储单元个数存储单元个数存储字长；存储字长；辅存容量辅存容量容量容量S S=存储块个数存储块个数存储块长度；存储块长度；最大主存容量最大主存容量CPUCPU能够访问的主存最大容量，它决定了能够访问的主存最大容量，它决定了CPUCPU的地址和数据引脚数量的地址和数据引脚数量 数据线位数：数据线位数：通常通常=机器字长或存储字长，机器字长或存储字长，地址线位数：地址线位数：=log=log2 2(最大主存容量最大主存容量/数据线位数数据线位数)时钟周期时钟周期CPUCPU内部基本操作的时长，常用内部基本操作的时长，常用T TC C表示；表示；f f 与与T TC C关系关系倒数关系，即倒数关系，即f f=1/=1/T TC C 容量单位容量单位1GB=121GB=121010MB=12MB=122020KB=12KB=123030B=82B=823030bitbit；思考：思考：为何不用存储字长或机器字长为单位？为何不用存储字长或机器字长为单位？30 *响应时间：响应时间：指一个任务从任务输入到结果输出的总时间，指一个任务从任务输入到结果输出的总时间，即即 T T响应响应=T TCPUCPU+T TI/OI/O等待等待，T TCPUCPU=T T运算运算+T TMEMMEM+T TI/OI/O2 2、系统性能指标、系统性能指标 时间是唯一标准，主要有时间是唯一标准，主要有响应时间响应时间和和吞吐量吞吐量两个指标。两个指标。特点特点反映了反映了单任务计算机系统单任务计算机系统的的软硬件总体性能软硬件总体性能优化：优化：CPUCPU转去执行其它程序转去执行其它程序 多任务计算机系统多任务计算机系统 CPU CPU时间时间T TCPUCPU=I IN N CPICPIT TC C=n n为为指令系统指令系统的指令种类数，的指令种类数，CPICPIi i为为第第i i 种指令种指令所需时钟周期数；所需时钟周期数；I IN N 为为程序程序执行的总指令数执行的总指令数(程序包含的指令数，但有关联程序包含的指令数，但有关联)；I Ii i为第为第i i 种指令的执行次数，种指令的执行次数，CPICPI为为每条指令平均每条指令平均所需时钟周期数所需时钟周期数;T TC C为为时钟周期时钟周期，是机器主频的倒数，是机器主频的倒数 T TCPUCPU与与程序算法、编译程序、指令系统、程序算法、编译程序、指令系统、CPICPIi i及及T TC C均相关均相关31 例例11某计算机主频为某计算机主频为2GHz2GHz，指令系统只有，指令系统只有类指令及类指令及类类指令，指令长度分别为指令，指令长度分别为1B1B及及2B2B，指令执行时间分别为，指令执行时间分别为5 5个及个及8 8个时个时钟周期。程序钟周期。程序A A的大小为的大小为2MB2MB，其中，其中30%30%空间为空间为类指令；程序类指令；程序A A执执行时，所有指令中共有行时，所有指令中共有20%20%的指令需重复执行的指令需重复执行3030次，在这些重复次，在这些重复执行的指令中，有执行的指令中，有40%40%为为类指令。求完成程序类指令。求完成程序A A的的CPUCPU时间。时间。解：解：程序程序A A包含的包含的类指令数类指令数=(2MB30%)/1B=0.62=(2MB30%)/1B=0.622020条，条，类指令数类指令数=(2MB70%)/2B=0.72=(2MB70%)/2B=0.722020条；条；重复执行的指令数重复执行的指令数=(0.62=(0.622020+0.72+0.722020)20%=0.262)20%=0.2622020条条;执行的执行的类指令数类指令数=0.62=0.622020+0.262+0.262202060%2960%29次，次，类指令数类指令数=0.72=0.722020+0.262+0.262202040%2940%29次次；T TCPUCPU=5.1242=5.1242202055T TC C+3.7162+3.7162202088T TC C =(25.62+29.728)2 =(25.62+29.728)22020T TC C=55.3482=55.34822020(210(2109 9)29ms 29ms3132 特点特点反映了反映了多任务计算机系统多任务计算机系统的的软硬件总体性能软硬件总体性能 MIPS(MIPS(每秒百万次指令每秒百万次指令)缺点：缺点：不能反映不能反映指令系统指令系统功能强弱功能强弱(可用相对可用相对MIPSMIPS法法)表示表示因工作量无统一定义，通常用因工作量无统一定义，通常用MIPSMIPS及及MFLOPSMFLOPS代替代替 *吞吐量：吞吐量：又称吞吐率，指单位时间内能处理的工作量，又称吞吐率，指单位时间内能处理的工作量，即即 吞吐量吞吐量=n n个任务的总工作量个任务的总工作量nn个任务的总时间个任务的总时间 MFLOPS(MFLOPS(每秒百万次浮点运算每秒百万次浮点运算)缺点：缺点：只反映了浮点操作能力，不能反映只反映了浮点操作能力，不能反映系统系统整体性能整体性能 *其他：其他：RASRAS(可靠性可靠性/可用性可用性/可维护可维护)，兼容性等，兼容性等3233二、性能设计二、性能设计1 1、冯、冯诺依曼模型计算机的性能瓶颈诺依曼模型计算机的性能瓶颈 *CPU-MEM *CPU-MEM瓶颈：瓶颈：CPUCPU与与MEMMEM的速度差距越来越大的速度差距越来越大 CPU CPU速度速度4545倍倍/3/3年，年，得益于得益于VLSIVLSI技术、器件技术；技术、器件技术；MEM MEM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。解决方案解决方案需需从结构与技术方面从结构与技术方面解决两者速度匹配问题解决两者速度匹配问题 *指令串行执行瓶颈：指令串行执行瓶颈：指令逐条执行导致性能受限指令逐条执行导致性能受限 解决方案解决方案11快速串行处理快速串行处理，性能受器件技术的限制，改，性能受器件技术的限制，改进效果不佳；进效果不佳；解决方案解决方案22并行处理并行处理，性能受串行程序指令间相关的限，性能受串行程序指令间相关的限制，需制，需从结构与技术方面从结构与技术方面解决指令间相关问题解决指令间相关问题342 2、性能平衡设计、性能平衡设计 重点解决重点解决CPU-MEMCPU-MEM瓶颈瓶颈，减少访存延迟、或提高访存效率，减少访存延迟、或提高访存效率 *增设增设CacheCache：减少访存延迟，减少访问主存频率；减少访存延迟，减少访问主存频率；*增加总线数据宽度：增加总线数据宽度：提高访存效率，以减少访存次数；提高访存效率，以减少访存次数；*采用多级总线：采用多级总线：主存连接在最快速总线上，减少访存延迟主存连接在最快速总线上，减少访存延迟3 3、CPUCPU性能设计性能设计 重点解决重点解决指令串行执行瓶颈指令串行执行瓶颈，提高并行性、或减少并行性能，提高并行性、或减少并行性能的损失的损失 *开发并行技术：开发并行技术：操作级流水操作级流水操作级并行操作级并行指令级并行；指令级并行；(流水线流水线)(SSE)()(SSE)(超标量流水超标量流水)*采用数据流技术：采用数据流技术：按序执行按序执行乱序执行；乱序执行；(程序顺序程序顺序)()(指令就绪顺序指令就绪顺序)*使用转移预测技术：使用转移预测技术：按预测方向先执行，猜错时再回头执行按预测方向先执行，猜错时再回头执行1113351.4 1.4 计算机系统发展历程计算机系统发展历程一、计算机硬件的发展历史一、计算机硬件的发展历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元器件元器件电子管电子管晶体管晶体管SSISSI、MSIMSILSILSI、VLSIVLSIULSIULSI主存主存磁心磁心半导体半导体辅存辅存纸带、磁带纸带、磁带磁盘磁盘光盘光盘字长字长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、计算机的产生与发展、计算机的产生与发展 *发展趋势：发展趋势：向大型机、微型机两个方向发展向大型机、微型机两个方向发展 *研究重点：研究重点：器件技术、并行化结构器件技术、并行化结构362 2、微型计算机的产生与发展、微型计算机的产生与发展微处理器微处理器字长字长主频主频地址线数地址线数 数据线数数据线数其他其他年代年代808080808 8实模式实模式197419748086808616164.77MHz4.77MHz20201616197819788088808816164.77MHz4.77MHz20208 81979197980286802861616 6MHz 6MHz24241616保护模式保护模式198219828038680386323212.5MHz12.5MHz32323232虚拟虚拟80868086模式、模式、虚拟存储器虚拟存储器、CacheCache1985198580486804863232 25MHz 25MHz32323232RISCRISC、流水线流水线19891989PentiumPentium3232 66MHz 66MHz32326464超标量流水超标量流水、MMXMMX19931993Pentium ProPentium Pro3232 133MHz 133MHz36366464超级流水、超级流水、动态执行动态执行19951995Pentium Pentium 3232 200MHz 200MHz36366464DIBDIB19971997Pentium Pentium 3232 450MHz 450MHz36366464SSESSE、非阻塞、非阻塞CacheCache19991999Pentium 4Pentium 43232 1.3GHz 1.3GHz36366464SSE2SSE2、总线技术、总线技术20002000Core 2 DuoCore 2 Duo3232 1.6GHz 1.6GHz双核双核20062006 *微处理器发展趋势：微处理器发展趋势：提高复杂度提高复杂度(增加功能增加功能)，开发指令级，开发指令级/线线程级程级/内核级并行性，集成存储器，发展嵌入式处理器内核级并行性，集成存储器，发展嵌入式处理器37二、计算机软件的发展历史二、计算机软件的发展历史1 1、计算机语言的发展、计算机语言的发展 机器语言机器语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言应用语言应用语言 *高级语言例：高级语言例：FORTRANFORTRAN、PASCALPASCAL、C/C+C/C+、JavaJava2 2、系统软件的发展、系统软件的发展 *语言处理程序：语言处理程序：汇编程序、编译程序、解释程序；汇编程序、编译程序、解释程序；*操作系统：操作系统：DOSDOS、UNIXUNIX、WindowsWindows；(多道程序、分时多道程序、分时/实时、网络、分布式、面向对象实时、网络、分布式、面向对象)*服务性程序：服务性程序：装配、调试、诊断、排错；装配、调试、诊断、排错；*数据库：数据库：数据库数据库(网状、层次、关系型网状、层次、关系型)、数据库管理软件；、数据库管理软件；*网络：网络：协议协议(NetNIOS(NetNIOS、TCP/IPTCP/IP等等)及及实现库实现库38三、计算机系统分类三、计算机系统分类1 1、按规模及功能分类、按规模及功能分类 超级计算机超级计算机科学计算等；科学计算等；大型计算机大型计算机多用户使用等；多用户使用等；小型计算机小型计算机办公应用等；办公应用等；工作站工作站图形处理及分布式计算等；图形处理及分布式计算等；微型计算机微型计算机应用广泛；应用广泛；单片机单片机/嵌入式系统嵌入式系统工业控制等工业控制等39p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日