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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
2、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,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
3、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。,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
4、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： 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）,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,8,1.5计算机系统结构概
5、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,9,1.5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。,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
6、.5计算机系统结构概念,11,五、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(Million Instructions Per Second)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（Million Floationg-point Operations Per Second）,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
7、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) 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
8、 Set Architecture（ISA） Implementation of that architecture program,CPI：Cycles Per Instruction,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
9、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
10、=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
11、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,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。,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”,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：10011101B 1234
12、/1234D 572Q（O） 2F0AH 123.45=110221013100410-1510-2,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,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转换为二进制数。 2 25 余数 整数 2 12 K0=1 0.62
13、52=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,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,复习2、基本逻辑电路 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
14、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 1 Load指令 21 2 Store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执行前用Load指令从存储器取到寄存器。因
15、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= (431212122242)=1.57 432511 指令类型 指令所占比例 CPI 新算逻指令 11 2 原算逻指令 32 1 Load指令 10 2 Store指令 12 2 转移指令 24 3 CPInew =(112321102122242) =1.46,CPInew =(112321102122242) /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= (425%)(1.3375%)=2.0 : 除浮点求平方根之外的浮点指令的CPI = （4-(2/25) 20）/(23/25) = 2.61 CPI = (2.6123%) (22%)+(1.3375%)=1.64 or CPI = 2-2% (20-2) =1.64 : CPI原= (2.525%)(1.3375%)=1.625,
