第一章-计算机系统概述

Title,Chapter 1.,*,*,This is our 1st Level Bullelt,This is our 2nd level bullet,This is our 3rd level bullet,This is our next 1st Level Bullelt,This is our 2nd level bullet,This is our 3rd level bullet,计算机体系结构,主讲：余金森,联系,QQ,：,184611704,本课程主要介绍计算机组成与系统结构所涉及的相关概念、理论和技术内容。通过本课程的教学，使学生了解计算机系统的组织结构。掌握计算机软硬件交界面的相互配合与相互弥补思想。了解计算机体系结构中的主要技术和方法。,教学目的和要求：,成绩计算：,平时成绩（,30%,）期末考试（,70%,）。,第一讲 计算机系统概述,计算机发展简史,IAS,通用计算机模型机：冯,.,诺依曼结构,IBM360,系列机：引入兼容性（系列机）概念,DEC PDP-8,：引入总线结构,计算机系统的组成,计算机硬件：,CPU+MM+I/O,计算机软件：系统软件,+,应用软件,计算机层次结构,计算机硬件和软件的接口：指令系统,计算机软件如何在硬件上执行,什么是计算机,？,计算机是一种能对,数字化信息,进行,自动、高速运算,的通用处理装置。,计算机的功能：,数据运算、数据存储、数据传送、控制,计算机的特点：,高速：,高速元器件和“存储程序”工作方式带来高速性,通用：体现在处理对象和应用领域没有限制,准确：,精度足够的算术运算带来准确性,智能：,逻辑推理能力带智能性,计算机的功能和特点,冯诺依曼结构的主要思想,计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。,各基本部件的功能是：,存储器,不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；,控制器,应能自动执行指令；,运算器,应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；,操作人员可以通过,输入设备,、,输出设备,和主机进行通信。,内部以,二进制表示,指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一串指令组成程序。,采用,“存储程序”,工作方式。,有的书上,1,2,是在一条内的。所以一般称为三大内容,PC,主板,CPU,插座,内存条,PCI,总线插槽,解剖计算机,个人计算机由主机和外设组成,主机中包含多个电路板,每个电路板中有十几个集成电路,每个集成电路中有十几个模块,每个模块中有上千万个单元,每个单元中有十几个门电路,每个门电路实现基本的逻辑运算,所有信息都用二进制编码表示,Hardware/Software Interface,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,.,temp=vk;,vk=vk+1;,vk+1=temp;,lw$15,0($2),lw$16,4($2),sw$16,0($2),sw$15,4($2),1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0000,1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100,1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000,1010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100,Hardware/Software Interface,（界面）,机器语言由指令代码构成，能被硬件直接执行。,软件和硬件的界面：,ISA,（,Instruction Set Architecture,）,指令集体系结构,软件,硬件,Software,System software(,系统软件,)-,简化编程过程，使硬件资源被有效利用,操作系统（,Operating System,）：,硬件资源管理，用户接口,语言处理系统：翻译程序,+,Linker,Debug,Loader,etc,翻译程序,(Translator),有三类：,汇编程序,(Assembler),：,将汇编语言源程序翻译为机器语言目标程序文件。,编译程序,(Complier),：,将高级语言源程序翻译为汇编语言或机器语言目标程序文件。,解释程序,(Interpreter),：,将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行。不生成目标文件。,其他实用程序,:,如：磁盘碎片整理程序、备份程序等,Application software(,应用软件,),-,解决具体应用问题,/,完成具体应用任务,各类媒体处理程序：,Word/Image/Graphics/,管理信息系统,(MIS),Game,Computer Hierarchy,（计算机系统层次）,I/O,CPU,Compiler,Operating,System,Application,Digital Design,Circuit Design,上图给出的是计算机系统的层次结构,指令系统（即,ISA,）是软,/,硬件的交界面,Instruction Set,Architecture,不同用户工作在不同层次，所看到的计算机不一样,最终用户,End User,应用程序员,Application Programmer,系统管理员,System Administrator,系统程序员,System Programmer,MM,Assembler,中间阴影部分就是本课程主要内容，处于最核心的部分！,一个典型系统的硬件组成,PC,：程序计数器；,ALU,：算术,/,逻辑单元；,USB,：通用串行总线,CPU,MM,Input/Output,一个典型程序的转换处理过程,1#include,2,3 int main(),4,5 printf(hello,worldn);,6,经典的“,hello.c”C-,源程序,#i n c l u d e n n i n t m a i n()n,104 62 10 10 105 110 116 32 109 97 105 110 40 41 10 123,n p r i n t f(h e l,10 32 32 32 32 112 114 105 110 116 102 40 34 104 101 108,l o,w o r l d n );n,108 111 44 32 119 111 114 108 100 92 110 34 41 59 10 125,hello.c,的,ASCII,文本表示,程序的功能是：,输出“,hello,world”,计算机能够直接识别,hello.c,源程序吗？,不能，需要转换为机器语言代码,!,即：编译,Hello,程序的数据流动过程,“hello”,Hello,可执行文件,Red,：,shell,命令行处理,Blue,：可执行文件加载,Cyan,：,hello,程序执行过程,“hello”,“hello,world/n”,“hello,world/n”,所有过程都是在,CPU,执行指令所产生的控制信号的作用下进行的。,数据经常在各存储部件间传送。故现代计算机大多采用“缓存”技术！,unix./hello,hello,world,unix,Enter,该课程的主要学习内容,信息（指令和数据）在计算机中如何表示？,指令系统如何设计？,如何设计高性能,CPU?,如何设计存储器系统？,如何设计,I/O?,如何设计总线,BUS?,Course Outline,性能评价（,Performance measurement,）,计算机算术（,Arithmetic for Computer,）,数据的表示和运算,存储器层次结构（,Memory Hierarchies,）,指令集体系结构（,Instruction Set Architecture,）,CPU,设计,数据通路,(Data path),和控制器,(Control Unit),流水线技术,(Pipelining),系统总线（,System Buses,）,输入,/,输出系统（,Input/Output system,）,计算机性能评价,制造成本（,manufacturing cost,）,衡量计算机性能的基本指标,响应时间（,response time,）,执行时间（,execution Time,）、等待时间（,latency,）,throughput,（吞吐量）,带宽（,bandwidth,）,计算机性能测量,指令执行速度（,MIPS,、,MFLOPS,）,基准程序（,Benchmark,）,计算机性能的基本评价指标,X is n times faster than Y means,ExTime(Y)Performance(X),=,ExTime(X)Performance(Y),相对性能用执行时间的倒数来表示！,计算机有两种不同的性能,Time to do the task,响应时间（,response time,）,执行时间（,execution time,）,等待时间或时延（,latency,）,Tasks per day,hour,sec,ns.,吞吐率（,throughput,）,带宽（,bandwidth,）,基本的性能评价标准是：,CPU,的执行时间,不同应用场合用户关心的性能不同：,要求吞吐率高的场合，例如：,多媒体应用（音,/,视频播放要流畅）,要求响应时间短的场合：例如：,事务处理系统（存,/,取款的速度要快）,要求吞吐率高且响应时间短的场合：,ATM,、文件服务器、,Web,服务器等,计算机性能的测量,比较计算机的性能时，用执行时间来衡量,完成同样工作量所需时间最短的那台计算机就是性能最好的,处理器时间往往被多个程序共享使用，因此，用户感觉到的程序执行时间并不是程序真正的执行时间,（从,hello,程序执行过程可知）,通常把用户感觉到的响应时间分成：,CPU,时间：指,CPU,真正花在程序执行上的时间。又包括两部分：,用户,CPU,时间：用来运行用户代码的时间,系统,CPU,时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间,其他时间：指等待,I/O,操作完成或,CPU,花在其他用户程序的时间,系统性能和,CPU,性能不等价，有一定的区别,系统性能,(System performance),：系统响应时间，与,CPU,外的其他部分也都有关系,CPU,性能,(CPU performance),：用户,CPU,时间,本章主要讨论,CPU,性能，即：,CPU,真正用在用户程序执行上的时间,问题：用户,CPU,时间与系统响应时间哪个更长？,CPU,执行时间的计算,CPU,执行时间,=,CPU,时钟周期数,/,程序,X,时钟周期,=,CPU,时钟周期数,/,程序,时钟频率,=,指令条数,/,程序,X,CPI,X,时钟周期,CPU,时钟周期数,/,程序,=,指令条数,/,程序,X,CPI,CPI,=,CPU,时钟周期数,/,程序,指令条数,/,程序,CPI,用来衡量以下各方面的综合结果,Instruction Set Architecture,（,ISA,）,Implementation of that architecture,program,CPI,：,Cycles Per Instruction,Architecture=Instruction Set Arch.+Organization,Computer Design,Computer Hardware Design,Machine Implementation,Logic Designers View,Processor Architecture,Computer Organization,Construction Engineer,Instruction Set Design,Machine