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1、 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 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
2、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 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 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
3、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 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序而设置的 这一级由各种高级语言编译程序支持和执行 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
4、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 价格速度可靠性存储容量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 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 程序员所看到的计算机系统的属性 即概念性结构和功能特性程序员 汇编语言 机器语言 编译程序 操作系统看到的 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 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
5、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 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 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 五 系统结构分类 按并行性 1 5计算机系统结构概念 1 6计算机系统的主要技术指标 一 技术指标机器
6、字长 运算器一次运行二进制位数运算速度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 MillionInstructionsPerSecond 每秒执行百万条指令 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 MillionFloationg pointOperationsPerSecond 1 6计算机系统的主要技术指标 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 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 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
7、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 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 XCPIX时钟周期CPU时钟周期数 程序 指令条数 程序 XCPICPI 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InstructionSetArchitecture ISA Implementationofthatarchitectureprogram CPI CyclesPerInstruction 1 6计算机系统的主要技术指标 1 6计算机系统的主要技术指标 举例说明在已知指令系
8、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 其等效的运算速度应为 举例说明 举例说明 于是这台机器的等效运算速度应为 2 106条 秒 2MIPS 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时间 基准程序 硬件测量工具价格的因素集成电路的工艺 产品的生产过程 销售过程性能价格设计的一些原则 1 6计算机系统的主要技术指标 Amdahl定律 加速经常使用的部分 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
9、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 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 0 2 10 0 3 1 6 1 6计算机系统的主要技术指标 第一章小结 计算机系统的基本概念构成 硬件和软件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五大部件冯 诺依曼型计算机特点存储程序 自动执行以运算器为中
10、心计算机发展特点计算机系统指标计算机系统概念 第一章小结 本章重点 建立计算机系统整体概念了解计算机系统基本概念掌握冯 诺依曼计算机模型以及计算机组成理解计算机系统层次结构理解计算机系统结构概念本章难点 计算机自动执行时控制器如何区分指令和数据计算机系统结构概念 作业 P15 4 6举例说明计算机系统运行过程 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 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
11、权 简称权 3 低位向高位的进位是 逢基数进1 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如 10011101B1234 1234D572Q O 2F0AH123 45 1 102 2 101 3 100 4 10 1 5 10 2 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 4 各进制之间的转换举例 1 任意进制数 十进制数例 11001B 1 24 1 23 0 22 0 21 1 100 25325 7Q 3 82 2 81 5 80 7 8 14F5 C2H 4 162 15 161 5 160 1
12、2 16 1 2 16 2 2 十进制数 任意进制数例 将十进制数25 625转换为二进制数 225余数整数212K0 10 625 2 1 25k 1 126K1 00 25 2 0 5k 2 023K2 00 5 2 1k 3 121K3 10K4 1故25 625对应的二进制数为11001 101B 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 674Q1100010 1101111B 62 DEH142 674Q 001100010 110111100B4F5 C2H 010011110101 11000010B 复习2 基本逻辑
13、电路逻辑函数 Y F A B 一 基本逻辑门电路 高电平表示逻辑 1 低电平表示逻辑 0 复习2 基本逻辑电路 二 三态门 三 OC门 三态门应用 OC门应用 触发器 同步 异步 多路选择开关 end 练习1 某台计算机只有Load Store指令能对存储器进行读 写操作 其它指令只对寄存器进行操作 根据对某程序跟踪实验结果 已知每种指令所占的比例及CPI数如下 指令类型指令所占比例CPI算逻指令43 1Load指令21 2Store指令12 2转移指令24 2 练习 求上述情况下的平均CPI 假设该程序由M条指令组成 算逻运算中25 的指令两个操作数中的一个已在寄存器中 另一个必须在算逻指令
14、执行前用Load指令从存储器取到寄存器 因此有人建议增加另一种算逻指令 其特点是一个操作数取自寄存器 另一个操作数取自存储器 即寄存器 存储器类型 假设这种指令的CPI等于2 同时 转移指令的CPI变为3 求新指令系统的平均CPI 答 CPI 43 1 21 2 12 2 24 2 1 5743 25 11 指令类型指令所占比例CPI新算逻指令11 2原算逻指令32 1Load指令10 2Store指令12 2转移指令24 3CPInew 11 2 32 1 10 2 12 2 24 2 1 46 CPInew 11 2 32 1 10 2 12 2 24 2 89 1 64 练习2 假设某机器获得如下测量值 浮点指令 包括浮点求平方根 的执行频度 25 浮点指令CPI 4 0其它指令CPI 1 33浮点求平方根指令执行频度 2 浮点求平方根指令CPI 20比较两种方案哪个更好 把浮点求平方根指令CPI降至2 把所有浮点操作CPI降至2 5 答 CPI原 4 25 1 33 75 2 0 除浮点求平方根之外的浮点指令的CPI 4 2 25 20 23 25 2 61CPI 2 61 23 2 2 1 33 75 1 64orCPI 2 2 20 2 1 64 CPI原 2 5 25 1 33 75 1 625
