计算机组成原理第一章chp1-2.

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1、 1 第一章 绪论 1.4计算机的软件 一、软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机 系统中不可少的无形部件。主要有两大类： 系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提 高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用 途。它包括以下四类： 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 操作系统 数据库管理系统 应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制 的程序。 2 第一章 绪论 1.4计算机的软件 二、软件的发展演变 编程语言的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级

2、程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序 系统软件的发展 操作系统 软件自动生成系统 分布式系统软件 中间件技术 虚拟计算等 3 第一章 绪论 1.5计算机系统结构概念 一、多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一 种电子设备，而是一个十分复 杂的硬、软件结合而成的整体 或智能设备，是一个复杂系统 。 虚拟机：不同人看到计算机不 同 通常由五个以上不同的级组成 ，每一级都能进行程序设计， 如图所示。 4 第一章 绪论 1.5计算机系统结构概念 二、五级计算机层次系统 第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬 件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果 某一个应用程序直接用微指令来编写，那么

3、可在这一级上运行应用程序。 第二级是一般机器级，也称为机器语言级， 它由微程序解释机器指令系统。这一级也是 硬件级。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实 现。这些操作系统由机器指令和广义指令组 成，广义指令是操作系统定义和解释的软件 指令，所以这一级也称为混合级。 5 第一章 绪论 1.5计算机系统结构概念 第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种 符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这 一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采 用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的 功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则 这一级可以不要。 第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方 便用户编写应用程

4、序而设置的。这一级由各种 高级语言编译程序支持和执行。 6 第一章 绪论 1.5计算机系统结构概念 三、软件与硬件逻辑等价性 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势， 计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了 任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设 计计算机系统时，应考虑各个方面的因素： u价格 u速度 u可靠性 u存储容量 u变更周期 实体硬件机功能的扩大 固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件） 7 第一章 绪论 7 四、计算机体系结构 1、计算机系统结构：主要研究软硬件功能分配和对 软硬件界面的确定 Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出 ：程序员所看到的

5、计算机系统的属性，即概念性结 构和功能特性 u程序员：汇编语言、机器语言、编译程序、操作 系统 u看到的：编写出能够在机器上正确运行的程序所 必须了解到的 1.5计算机系统结构概念 8 第一章 绪论 8 1.5计算机系统结构概念 2、 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现 ，主要包括： 确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术 9 第一章 绪论 9 1.5计算机系统结构概念 3、计算机实现是指计算机组成的物理实现，包 括： 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用

6、器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技 术等。 10 第一章 绪论 10 4、三者之间关系 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个 不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三 者之间的界限越来越模糊。 1.5计算机系统结构概念 11 第一章 绪论 11 五、系统结构分类按并行性 (a) SISD结构 (b) SIMD 结构 (c) MISD结构 (d) MIMD 结构 图1-7 Flynn分类法中四种系统的基本结构 MMm MMm MMm MM2 MM2 MM2 MM1 MM1 MM1 MM PUn PU2 PUn PUn

7、PU2 PU2 PU1 PU1 PU1 PUCU CUn CUn CU2 CU2 CU1 CU1 CU 1.5计算机系统结构概念 12 第一章 绪论 1.6计算机系统的主要技术指标 一、技术指标 u机器字长：运算器一次运行二进制位数 u运算速度 u描述一台计算机的运算速度的单位应该是每秒 执行多少条指令如MIPS(Million Instructions Per Second)每秒执行百万条指令. u对于带有浮点运算的计算机系统，常用每秒百 万个浮点操作MFLOPS（Million Floationg- point Operations Per Second） 13 第一章 绪论 1.6计算机

8、系统的主要技术指标 u机器容量:计算机的容量实际上是指机器内 部主存储器的容量。 u吞吐量:计算机系统的吞吐量是指计算机在 单位时间内能处理的信息量。也就是流入、 处理和流出系统的信息的速率。 u响应时间:响应时间指从给定计算机输入到 出现对应的输出之间的时间间隔。响应时间 取决于用户输入的信息、系统特性以及在用 户输入信息时系统正在处理的其他负载。 14 第一章 绪论 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)

9、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 uInstruction Set Architecture（ISA） uImplementation of that architecture uprogram CPI：Cycles Per Instruction 1.6计算机系统的主要技术指标 15 第一章 绪论 1.6计算机系统的主要技术指标 举例说明 在已知指令系统内部各类指令的执行时间 （Ti）情况下，对机内运行的典型程序进 行统计，找出各类机器指令的使用频度（ fi）。才可计算出等效的指令执行时间（T ）。 显然，其

10、等效的运算速度应为： 16 第一章 绪论 举例说明 指令名称 参数 传送指令 加、减 法指令 乘、除 法指令 逻辑运 算指令 其他 指令 其他指令 使用频度 （） 3020102020 执行时间 （ns） 2004002500300250 17 第一章 绪论 举例说明 于是这台机器的等效运算速度应为： =2 *106条/ 秒=2MIPS 18 第一章 绪论 1.6计算机系统的主要技术指标 必须紧紧以性能/价格比为核心 性能的衡量标准 u时间、基准程序、硬件测量工具 价格的因素 u集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程 性能价格设计的一些原则 19 第一章 绪论 1.6计算机系统的主要技术指标

11、 Amdahl定律： 加速经常使用的部分 20 第一章 绪论 求平方根和浮点乘是图形应用中常用的转换，假设 求平方根操作在某机器的一个基准程序中占总执行时间 的20%，浮点乘操作在该程序中占总执行时间30%，现 通过两种方法加速两操作：增加专门的硬件处理求平 方根，使其执行速度为原来的10倍；通过调整流水线 把浮点乘速度提高为原来的1.6倍。 问：采用两种方法增强后此基准程序加速比是多少？ 1.6计算机系统的主要技术指标 21 第一章 绪论 30%20% 加速比= 增强前时间/增强后时间 =1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6) =1/0.7075 =1.41 =1/(1-0.3-0.2

12、)+0.2/10+0.3/1.6) 1.6计算机系统的主要技术指标 22 第一章 绪论 第一章小结 计算机系统的 基本概念 u构成：硬件和软件 u层次结构 计算机系统的基本工作原理 计算机的基本组成部分 u五大部件 冯诺依曼型计算机特点 u存储程序,自动执行 u以运算器为中心 计算机发展特点 计算机系统指标 计算机系统概念 23 第一章 绪论 第一章小结 本章重点: u建立计算机系统整体概念 u了解计算机系统基本概念 u掌握冯诺依曼计算机模型以及计算机组成 u理解计算机系统层次结构 u理解计算机系统结构概念 本章难点: u计算机自动执行时控制器如何区分指令和数据 u计算机系统结构概念 24 第

13、一章 绪论 作业 P15,4、6 举例说明计算机系统运行过程 25 第一章 绪论 计算机学院 体系结构中心 复习1、运算基础 1、进位计数制-位置计数法 式中i 数位。 m, n正整数。 R基数。 Ki第i位数码。 26 第一章 绪论 计算机学院 体系结构中心 复习1、运算基础 位置计数法(带权记数法)的数制均有以下几 个主要特点： (1) 数码个数等于基数，最大数码比基数小1； (2) 每个数码都要乘以基数的幂次，而该幂次是 由每个数所在的位置决定的，即“位权”，简称 权； (3) 低位向高位的进位是“逢基数进1” 27 复习1、运算基础 2、进位计数制几种典型进制 进位计数制 基数 位权

14、如：10011101B 1234/1234D 572Q（O） 2F0AH 123.45=110221013100410-1510-2 28 第一章 绪论 计算机科学与技术学院 体系结构中心 复习1、运算基础 3、二进制 计算机内部,采用二进制,因为: .容易实现 .算术四则运算规则简单 .可进行二值逻辑运算 29 4、各进制之间的转换举例 （1）、任意进制数十进制数 例：11001B=1241230220211100=25 325.7Q=38228158078-1 4F5.C2H=41621516151601216-1216-2 （2）、十进制数任意进制数 例：将十进制数25.625转换为 二

15、进制数。 2 25 余数 整数 2 12 K0=1 0.6252=1.25 k-1=1 2 6 K1=0 0.252=0.5 k-2=0 2 3 K2=0 0.52=1 k-3=1 2 1 K3=1 0 K4=1 故25.625对应的二进制数为11001.101B 30 第一章 绪论 复习1、运算基础 （3）、二进制、八进制、十六进制之间的转换 例：1100010.1101111B=142.674Q 1100010.1101111B=62.DEH 142.674Q=001100010.110111100B 4F5.C2H=010011110101.11000010B 31 复习2、基本逻辑电路 逻辑函数：Y=F（A