計(jì)算機(jī)組成原理:第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述_第1頁(yè)
計(jì)算機(jī)組成原理:第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述_第2頁(yè)
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1、第 1 章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述主要內(nèi)容:(一)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程 (二)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 1.計(jì)算機(jī)硬件的基本組成 2.計(jì)算機(jī)軟件的分類(lèi) 3.計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 (三)計(jì)算機(jī)性能指標(biāo) 吞吐量、響應(yīng)時(shí)間;CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間;MIPS、MFLOPS。 計(jì)算機(jī)里有什么?計(jì)算機(jī)基本組成構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論大部分已經(jīng)有80年了。目前,計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件也沒(méi)有大的改變CPU運(yùn)算器(Data Path)控制器存儲(chǔ)器輸入/輸出(I/O)1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程公元前500年,中國(guó)出現(xiàn)算盤(pán)。1642年,年僅19歲的法國(guó)科學(xué)家Blaise Pascal(1623-1662)制造出的第一臺(tái)能工作的計(jì)

2、算機(jī)器。整臺(tái)機(jī)器是純機(jī)械設(shè)備,使用手柄驅(qū)動(dòng),用齒輪傳動(dòng),能完成加法和減法。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Pascal就是以他的名字命名的。 1945年, 美籍?dāng)?shù)學(xué)家馮.諾依曼博士發(fā)表電子計(jì)算工具邏輯設(shè)計(jì)論文,提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)構(gòu)想。1946年, 美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計(jì)算機(jī) ENIAC。重約30噸,耗電150kW,占地170平米,用電子管18800個(gè),每秒5000次加法。1.1.1 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生約翰馮諾依曼約翰馮諾依曼 ( John von Neumann,19031957),美籍匈牙利人,1903年12月28日生于匈牙利的布達(dá)佩斯。馮諾依曼從小聰穎過(guò)人,興趣廣泛,讀書(shū)過(guò)目不忘據(jù)

3、說(shuō)他6歲時(shí)就能用古希臘語(yǔ)同父親閑談,一生掌握了七種語(yǔ)言。在計(jì)算機(jī)方面,提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)構(gòu)想,促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明,鑒于馮諾依曼在發(fā)明電子計(jì)算機(jī)中所起到關(guān)鍵性作用,他被西方人譽(yù)為計(jì)算機(jī)之父而在經(jīng)濟(jì)學(xué)方面,他也有突破性成就,被譽(yù)為“博弈論之父”。在物理領(lǐng)域,馮諾依曼在30年代撰寫(xiě)的量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)被證明對(duì)原子物理學(xué)的發(fā)展有極其重要的價(jià)值。在化學(xué)方面也有相當(dāng)?shù)脑煸?,曾獲蘇黎世高等技術(shù)學(xué)院化學(xué)系大學(xué)學(xué)位。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基本思想是:存儲(chǔ)程序,并且按照地址順序自動(dòng)執(zhí)行。首先將指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后,就能夠按順序取出指令并依次執(zhí)行,直到程序執(zhí)

4、行完畢,得到計(jì)算結(jié)果為止。圖靈機(jī)1937年,Alan Turing提出一種“通用”計(jì)算機(jī)的概念,它可以執(zhí)行任何一個(gè)描述好的程序(算法),實(shí)現(xiàn)需要的功能,形成了“可計(jì)算性”概念的基礎(chǔ)。 50年代,Turing提出了“智能”計(jì)算機(jī)的概念,計(jì)算機(jī)接收的不僅僅是數(shù)據(jù),包括對(duì)數(shù)據(jù)處理的指令,要把人類(lèi)的知識(shí)灌輸給機(jī)器,讓機(jī)器具備接收知識(shí)并運(yùn)用知識(shí)的能力。Turing機(jī)特點(diǎn)通用計(jì)算機(jī):并不是保存所有問(wèn)題的結(jié)果。存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī):?jiǎn)栴}的求解由程序或過(guò)程給出,程序和過(guò)程可以通過(guò)語(yǔ)言描述。有限速度:計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間是有限的。有限空間:計(jì)算機(jī)程序的存放空間和數(shù)據(jù)存放空間也是有限的。是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的鼻祖。1912年6

5、月23日,出生于英國(guó)倫敦。 1931年-1934年,在英國(guó)劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院(Kings College)學(xué)習(xí)。 1932年-1935年,主要研究量子力學(xué)、概率論和邏輯學(xué)。 1937年,主要研究可計(jì)算理論,并提出“圖靈機(jī)”的構(gòu)想。 1936年-1938年,主要在美國(guó)普林斯頓大學(xué)做博士研究,涉及邏輯學(xué)、代數(shù)和數(shù)論等領(lǐng)域。 1940年-1942年,作為主要參與者和貢獻(xiàn)者之一,在破譯納粹德國(guó)通訊密碼的工作上成就杰出,并成功破譯了德軍U-潛艇密碼。 1947年-1948年,主要從事計(jì)算機(jī)程序理論的研究,并同時(shí)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能領(lǐng)域做出開(kāi)創(chuàng)性的理論研究。 1949年,成為世界上第一位把計(jì)算機(jī)實(shí)際用于數(shù)學(xué)

6、研究的科學(xué)家。 1950年,發(fā)表論文“計(jì)算機(jī)器與智能”,為后來(lái)的人工智能科學(xué)提供了開(kāi)創(chuàng)性的構(gòu)思。提出著名的“圖靈測(cè)試”理論。 1951年,從事生物的非線性理論研究。年僅39歲的圖靈,被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1954年6月7日,自殺。圖靈機(jī)與馮諾依曼機(jī)這兩者的差別,更多的是:后者從一個(gè)工程的角度:(1)在邏輯表達(dá)層面上:把人所常用的操作,例如取數(shù)、存數(shù)等、加法等,封裝了指令集,以方便人的表達(dá)和使用(程序的形式);馮諾依曼機(jī)器和圖靈機(jī)是等價(jià)的,也就是說(shuō):它不僅方便了,而且沒(méi)有可計(jì)算性上的代價(jià)。(2)在硬件及其結(jié)構(gòu)上:既然邏輯上已經(jīng)把一些指令集獨(dú)立出來(lái),那么有必要設(shè)計(jì)一些物理設(shè)備來(lái)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)它們。這樣

7、的思想,更多的是體現(xiàn)馮諾依曼機(jī)的思想,也許只有在計(jì)算機(jī)學(xué)家+工程師的雙重視角下才能實(shí)現(xiàn)。而二則的結(jié)合實(shí)現(xiàn),現(xiàn)在有了一個(gè)鼎鼎大名的名字:計(jì)算機(jī)。典型馮.諾依曼(Von Neumann)機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖存儲(chǔ)器輸出輸入運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)線路控制信號(hào)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的鼻祖:五大功能部件采用二進(jìn)制數(shù)據(jù):簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)器只提供整數(shù)運(yùn)算:任何有能力的數(shù)學(xué)家都能在頭腦中記住小數(shù)點(diǎn)的位置。馮.諾依曼機(jī)的基本特點(diǎn)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。采用存儲(chǔ)程序的方式,程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中,由指令組成的程序可以修改。數(shù)據(jù)以二進(jìn)制碼表示指令由操作碼和地址碼組成。指令在存儲(chǔ)器中按執(zhí)行順序

8、存放,由指令計(jì)數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址,一般按順序遞增。機(jī)器以運(yùn)算器為中心,數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過(guò)運(yùn)算器。1.1.2 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史第一代 電子管時(shí)代(1946-1958): 耗電高,體積大,定點(diǎn)計(jì)算,機(jī)器語(yǔ)言,匯編語(yǔ)言第二代 晶體管時(shí)代(1958-1965):變集中處理為分級(jí)處理,浮點(diǎn)運(yùn)算、高級(jí)語(yǔ)言第三代 中小規(guī)模集成電路時(shí)代(1965-1970):存儲(chǔ)容量大,運(yùn)算速度快,幾十至幾百萬(wàn)次/秒第四代 大規(guī)模集成電路時(shí)代(1971至今):向大型機(jī)和微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向:巨型化,微型化,網(wǎng)絡(luò)化,智能化,多媒體化,多核。第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)ENIACElectronic Nu

9、merical Integrator and Calculator 1946年2月,第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī),設(shè)計(jì)用于計(jì)算火炮的彈道重30噸,占地170平方米,18800個(gè)電子管,耗電 150KW運(yùn)算速度:5000次加法/秒使用十進(jìn)制數(shù)20個(gè)寄存器,每個(gè)存放10位的十進(jìn)制數(shù)通過(guò)設(shè)置6000個(gè)開(kāi)關(guān)和其它眾多的插頭和插座來(lái)編程PS:世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)其實(shí)是ABC(Atanasoff-Berry Computer,阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī),在1937年至1941年間開(kāi)發(fā)), ENIAC是第二臺(tái)。第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī):PDP-11957年由DEC公司生產(chǎn)第二代計(jì)算機(jī)(晶體管)18位字長(zhǎng),4K內(nèi)存,機(jī)器周期為

10、5微秒售價(jià)120,000美元。售出50臺(tái)。開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)!第一個(gè)系列計(jì)算機(jī):IBM 360第三代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)應(yīng)用:科學(xué)計(jì)算和商務(wù)處理如何在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行相同的軟件?系列計(jì)算機(jī):IBM 360計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu):程序員眼中的計(jì)算機(jī)。具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行相同的程序。微程序控制器Intel 286Intel 286Introduced in 198216 bit architecture134,000 transistors8MHzAPPLERISC計(jì)算機(jī)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī),例如單片機(jī)、嵌入式處理器指令系統(tǒng)盡量簡(jiǎn)單,復(fù)雜指令通過(guò)簡(jiǎn)單指令的組合來(lái)完成提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度如何提高計(jì)算機(jī)性

11、能?提高計(jì)算機(jī)性能提高計(jì)算機(jī)性能的方向是采用并行處理技術(shù)。近年來(lái)人們?cè)谥\求突破傳統(tǒng)諾依曼體制的束縛,這種努力被稱(chēng)為非馮諾依曼化。表現(xiàn)在3個(gè)方面: 對(duì)傳統(tǒng)馮諾依曼機(jī)進(jìn)行改造,如采用多個(gè)處理部件形成流水線處理,依靠時(shí)間上的重疊提高處理效率;又如組成陣列機(jī)結(jié)構(gòu),形成單指令流多數(shù)據(jù)流,提高處理速度。用多個(gè)諾依曼機(jī)組成多機(jī)系統(tǒng),支持并行算法結(jié)構(gòu)。從根本上改變諾依曼機(jī)的控制流驅(qū)動(dòng)方式。例如采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)方式,只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好,有關(guān)的指令就可并行執(zhí)行。摩爾定律晶體管數(shù)單位時(shí)間執(zhí)行的指令數(shù)百萬(wàn)條/每秒每三年芯片集成度翻2翻。Intel 公司的締造者之一 Gordon Moore 提出提高計(jì)算機(jī)性能多處理器與

12、多核處理器多處理器系統(tǒng):多處理器系統(tǒng)是指包含兩臺(tái)或多臺(tái)功能相近的處理器,處理器之間彼此可以交換數(shù)據(jù),所有處理器共享內(nèi)存,I/O設(shè)備,控制器,及外部設(shè)備,整個(gè)硬件系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制,在處理器和程序之間實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、程序、數(shù)組極其元素各級(jí)的全面并行。多處理器廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域,刀片機(jī),例如Intel 的至強(qiáng)處理器。天河一號(hào)6144個(gè)CPU,5120個(gè)GPU,峰值性能:2.57千萬(wàn)億次。天河一號(hào)于2010年投入使用后,在航天、天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境模仿方面均取得了顯著成就。2014年11月17日,中國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī),第四次摘得全球運(yùn)行速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)桂冠。 最高速度:每秒

13、33.9千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算, 16000個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,共計(jì)有312萬(wàn)個(gè)計(jì)算核心。天河存在的問(wèn)題(1)速度第一效率落后:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的落后 天河二號(hào)的實(shí)用性、效率難令人滿意。2014年6月公布的世界超算500強(qiáng)天河二號(hào)計(jì)算效率為61.7%,效率排名第一的IBM nx360M4效率高達(dá)99.8%,速度排名第四的日本k計(jì)算機(jī)以93.2%效率排名效率第十八。 (2)高性能處理器缺少 CPU技術(shù)的落后 2015年4月9日,美國(guó)商務(wù)部發(fā)布報(bào)告,決定拒絕英特爾公司向中國(guó)的國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心出售至強(qiáng)芯片用于天河二號(hào)系統(tǒng)升級(jí)的申請(qǐng)。國(guó)家超級(jí)計(jì)算長(zhǎng)沙中心、廣州中心、天津中心和國(guó)防科技大學(xué)四家國(guó)家超算中心被列入出口管

14、制名單。多處理器與多核處理器多核處理器多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核)。多核技術(shù)的開(kāi)發(fā)源于工程師們認(rèn)識(shí)到,僅僅提高單核芯片的速度會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量且無(wú)法帶來(lái)相應(yīng)的性能改善。處理器的可靠性就會(huì)受到致命性的影響。就連戈登摩爾本人似乎也依稀看到了“主頻為王”這條路的盡頭,他曾公開(kāi)表示,引領(lǐng)半導(dǎo)體市場(chǎng)接近40年的“摩爾定律”,在未來(lái)10年至20年內(nèi)可能失效。Inter率先提出,例如酷睿 ( Core )與上一代臺(tái)式機(jī)處理器相比,酷睿2 雙核處理器在性能方面提高40%,功耗反而降低40%。下一代計(jì)算機(jī)Babbage:更快、更高、更強(qiáng)Turing:智能計(jì)算機(jī)Bush:信息網(wǎng)格q

15、uantum computer: 量子計(jì)算?1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)處理器存儲(chǔ)器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件組成運(yùn)算器 (Arithmetical Unit ,ALU): 完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算,通常包括其中的寄存器??刂破? CPU的組成部分,它根據(jù)程序指令來(lái)指揮運(yùn)算器, 存儲(chǔ)器以及I/O運(yùn)行,共同完成程序功能。存儲(chǔ)器: 存放運(yùn)行時(shí)程序及其所需要的數(shù)據(jù)的場(chǎng)所。輸入: 信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)的設(shè)備,如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等。輸出: 將計(jì)算結(jié)構(gòu)展示給用戶的設(shè)備,如顯示器、磁盤(pán)、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等。ComputerMemoryInputOutputArithmeticalControl

16、計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系輸入/輸出設(shè)備(IO)Von Neumann計(jì)算機(jī)ProcessorVon Neumann MachineBus-Based Computer計(jì)算機(jī)硬件的組成框圖CPU(包括運(yùn)算器和控制器)存儲(chǔ)器ROMRAM輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)總線DBDATA BUSABADDRESS BUSCBCONTROL BUS運(yùn)算器和控制器 CPU存儲(chǔ)器輸入/輸出設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線Anatomy of a Modern PC運(yùn)算器 數(shù)據(jù)通路(Datapath)MemoryI/O1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件組成沒(méi)有配備任何軟件的“裸機(jī)”無(wú)法投入使用。沒(méi)有配備足夠的軟件,其功能就不能很好的發(fā)揮。

17、計(jì)算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深?lèi):系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件:用于管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng),合理分配系統(tǒng)資源,確保計(jì)算機(jī)正常高效地運(yùn)行,這類(lèi)軟件面向系統(tǒng)。應(yīng)用軟件:是面向用戶,根據(jù)用戶的特殊要求編制的應(yīng)用程序,這類(lèi)軟件通常實(shí)現(xiàn)用戶的某類(lèi)要求。計(jì)算機(jī)軟件組成軟件組成系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)或管理軟件匯編程序 高級(jí)語(yǔ)言的編譯或解釋程序故障診斷或檢驗(yàn)程序系統(tǒng)調(diào)試程序 數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序 使用者根據(jù)需要采用各類(lèi)語(yǔ)言編寫(xiě)的各種應(yīng)用程序,包括各類(lèi)應(yīng)用軟件包計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言簡(jiǎn)介自然語(yǔ)言:人類(lèi)相互交流信息所用的語(yǔ)言。 高級(jí)語(yǔ)言:一種和自然語(yǔ)言接近并能為計(jì)算機(jī)接受的語(yǔ)言,這種語(yǔ)言被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言 。 匯編語(yǔ)言:符

18、號(hào)式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,屬于低級(jí)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言:機(jī)器能執(zhí)行的語(yǔ)言,這種語(yǔ)言被稱(chēng)為機(jī)器語(yǔ)言(由二進(jìn)制代碼表示的指令組成)。 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 馮諾依曼計(jì)算機(jī)特點(diǎn)基本上指出了計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基本思想是:存儲(chǔ)程序,并且按照地址順序自動(dòng)執(zhí)行。首先將指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后,就能夠按順序取出指令并依次執(zhí)行,直到程序執(zhí)行完畢,得到計(jì)算結(jié)果為止。一條指令操作包括:取指令、分析(譯碼)和執(zhí)行指令3個(gè)階段1、實(shí)際機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言程序直接在M1上執(zhí)行實(shí)際機(jī)器 M1 在計(jì)算機(jī)誕生初期,用戶使用二進(jìn)制的0/1代碼來(lái)編寫(xiě)程序,這就要求用戶對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和指令系統(tǒng)非常了解。編程難度大,易出錯(cuò)。機(jī)器指

19、令的組成一條機(jī)器指令通常由兩部分組成操作類(lèi)型部分:規(guī)定該指令執(zhí)行的運(yùn)行類(lèi)型操作數(shù)部分:規(guī)定對(duì)哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算001 1001匯編語(yǔ)言與機(jī)器指令對(duì)應(yīng),匯編指令也由兩部分組成操作碼:規(guī)定該指令執(zhí)行的運(yùn)行類(lèi)型地址碼(操作數(shù)):規(guī)定對(duì)哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算助記符ADD 9源操作數(shù)目的操作數(shù)001 10012、匯編語(yǔ)言將匯編語(yǔ)言程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言程序,然后在M1上執(zhí)行。匯編語(yǔ)言虛擬機(jī) M2實(shí)際機(jī)器 M1匯編器 把機(jī)器指令用助記符代替,即為匯編語(yǔ)言,匯編語(yǔ)言指令與機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng)。匯編語(yǔ)言運(yùn)行效率同機(jī)器語(yǔ)言,相對(duì)于機(jī)器語(yǔ)言來(lái)說(shuō)提高了開(kāi)發(fā)效率,但是仍舊高度硬件相關(guān),需要程序員了解硬件。匯編程序沒(méi)有可移植性。大連理

20、工大學(xué) 軟件學(xué)院 賴(lài)曉晨3、高級(jí)語(yǔ)言將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯為匯編語(yǔ)言,然后再翻譯為機(jī)器語(yǔ)言程序,在M1上執(zhí)行。匯編語(yǔ)言虛擬機(jī) M2 高級(jí)語(yǔ)言克服了匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)效率低的缺點(diǎn),更加接近問(wèn)題,編程方便,但是運(yùn)行效率低于匯編語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言分為編譯程序和解釋程序兩種類(lèi)型。實(shí)際機(jī)器 M1匯編器高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī) M3編譯器大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院 賴(lài)曉晨計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的比較1 101 10002 011 10103 001 10014 110 10115 1116 00078 001019 0001110 0110011MOV AX, 08MUL AX, 10ADD AX, 9MOV 11,AXCALL PRTHALT

21、y=a*x+b;高級(jí)語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言 機(jī)器語(yǔ)言運(yùn)行效率提高開(kāi)發(fā)效率提高,可移植性增強(qiáng)1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(1)層次結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的軟、硬件結(jié)合體,它包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。它通常由6個(gè)不同的級(jí)組成,在每一級(jí)都能夠進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。由邏輯部件級(jí)、微程序設(shè)計(jì)級(jí)、指令系統(tǒng)級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、匯編語(yǔ)言級(jí)和高級(jí)語(yǔ)言級(jí)組成,如圖所示:硬件部分硬、軟界面軟件部分站在不同層次上編程的程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性各不相同。高級(jí)語(yǔ)言級(jí)(應(yīng)用程序)匯編語(yǔ)言級(jí)(系統(tǒng)程序)操作系統(tǒng)級(jí)(操作系統(tǒng))傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)(指令系統(tǒng))微程序級(jí)(微程序控制器)邏輯部件級(jí)(硬件邏輯部件)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

22、(2)軟件和硬件邏輯上的等價(jià)性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ),通過(guò)軟件擴(kuò)充其功能,并以執(zhí)行程序方式體現(xiàn)其功能。硬件完成最基本的功能,而復(fù)雜的功能則通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)是一個(gè)軟件和硬件結(jié)合的整體系統(tǒng)。在機(jī)器中,許多功能既可由硬件實(shí)現(xiàn),也可由軟件實(shí)現(xiàn)。功能分配與設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)條件有關(guān)。早期主要采用硬件軟化方式,即軟件完成較復(fù)雜的邏輯功能,以降低硬件開(kāi)銷(xiāo)。如依靠軟件實(shí)現(xiàn)乘、除、浮點(diǎn)運(yùn)算等更高級(jí)一些的功能。現(xiàn)在存在軟件硬化的趨勢(shì),即硬件完成較復(fù)雜功能,以提高系統(tǒng)處理速度。如浮點(diǎn)運(yùn)算器等。(2)軟件和硬件邏輯上的等價(jià)性軟件固化:運(yùn)行微程序?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜功能,以提高性?xún)r(jià)比。固件:把軟件刻入ROM,使軟件固化,這樣得到

23、的一個(gè)實(shí)體就是固件。指令系統(tǒng):是硬件與軟件之間的界面。硬件的基本任務(wù)是識(shí)別與執(zhí)行指令代碼。所編制的程序最終需要轉(zhuǎn)換成指令序列代碼,進(jìn)行執(zhí)行,而指令系統(tǒng)是編程的基礎(chǔ)。(3)兼容性兼容性的設(shè)計(jì)思想實(shí)際上就是系列機(jī)的概念。在系列機(jī)中,新機(jī)型要求支持老機(jī)型上開(kāi)發(fā)的軟件;而且還有硬件上的兼容要求。兼容要求軟件和硬件設(shè)備能夠直接在不同的機(jī)型上使用。1.3 計(jì)算機(jī)的分類(lèi)巨型機(jī)世界幾家公司生產(chǎn),如最快1.4萬(wàn)億次,9千個(gè)CPU組成Cray-1,Cray-2,Cray-3,國(guó)產(chǎn)銀河I, 銀河II, 銀河III,我國(guó)神威號(hào)速度達(dá)3480億次/秒。大型機(jī)大中型企事業(yè)單位作為計(jì)算中心的主機(jī)使用,統(tǒng)一調(diào)度主機(jī)資源,代表

24、產(chǎn)品有IBM360,390,4300等。小型機(jī)它可以滿足部門(mén)性的需求,供小型企事業(yè)單位使用。典型產(chǎn)品有DEC-PDP 11(16位),DEC-VAX系列等。工作站用于特殊的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域,例如圖像處理和輔助設(shè)計(jì)等。典型產(chǎn)品有HP-APOLLO,SUN工作站等。微型機(jī)個(gè)人或家庭使用,PC機(jī)/個(gè)人計(jì)算機(jī),價(jià)格低廉。嵌入式計(jì)算機(jī)掌上電腦、平板電腦,移動(dòng)計(jì)算。1.* 計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)計(jì)算信息處理家用電器CAD/CAMCAT/CAI自動(dòng)控制人工智能測(cè)量測(cè)試教育衛(wèi)生1.* 計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)巨型化運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算。1975年世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“Cray-I”超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用:天氣預(yù)報(bào)、地震機(jī)理研究、石

25、油和地質(zhì)勘探,衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計(jì)算的高科技領(lǐng)域。微型化網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò):計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動(dòng)力:使用遠(yuǎn)程資源,共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源。智能化 使計(jì)算機(jī)具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)言、行為、思維、邏輯推理等能力。DeeperblueGarry Kasparov 智能化 智能化機(jī)器人、機(jī)器狗、機(jī)器昆蟲(chóng)等1.4 計(jì)算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)一、機(jī)器字長(zhǎng)指計(jì)算機(jī)內(nèi),表示一個(gè)操作數(shù)或一條指令所用的基本二進(jìn)制位數(shù)。通常與CPU的寄存器位數(shù)有關(guān)。 寄存器寄存器ALU字長(zhǎng)越長(zhǎng),數(shù)的表示范圍越大,精度越高,速度越快,價(jià)格越高。影響計(jì)算機(jī)的處理能力和運(yùn)行性能。通常選字節(jié)的整數(shù)倍:2、4、8倍等。

26、二、存儲(chǔ)容量主存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 存儲(chǔ)字長(zhǎng), 相當(dāng)于位數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)MARMDR容量1081k8位163264k32位1 Byte = 8 bits1KB = 1024 B = 210B1MB = 1024KB = 220B1GB = 1024MB = 230B1TB = 1024GB = 240B三、運(yùn)算速度速度衡量方法主頻執(zhí)行一次加法或乘法所需時(shí)間吉普森法: MIPS:每秒執(zhí)行的百萬(wàn)條指令數(shù)FLOPS:每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)指令數(shù)CPI:平均每條指令所需時(shí)間 =ni =1fi tiTM 計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度與主頻、操作類(lèi)型、內(nèi)存速度等很多因素有關(guān)。提高速度的兩個(gè)主要方法是提高主頻以及改進(jìn)體系結(jié)

27、構(gòu)。 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)運(yùn)算速度:運(yùn)算速度通常反映計(jì)算機(jī)運(yùn)算的快慢。對(duì)運(yùn)算速度的衡量有以下幾種方法:根據(jù)不同類(lèi)型指令在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的頻率乘上不同的系數(shù),求得統(tǒng)計(jì)平均值,這時(shí)所指的運(yùn)算速度是平均運(yùn)算速度。直接給出每條指令的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間。以MIPS和MFLOPS作為計(jì)量單位來(lái)衡量運(yùn)算速度。MIPS表示每秒百萬(wàn)條指令,MFLOPS表示每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算。1. 吞吐量、響應(yīng)時(shí)間(1) 吞吐量:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)可執(zhí)行程序的個(gè)數(shù)。(2) 響應(yīng)時(shí)間:從事件開(kāi)始到事件結(jié)束的時(shí)間,也稱(chēng)執(zhí)行時(shí)間。計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)2. 主頻、CPU時(shí)鐘周期、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間(1)主頻:CPU工作主時(shí)鐘的頻率,機(jī)器主頻f或Rc (2)C

28、PU時(shí)鐘周期:機(jī)器主頻的倒數(shù),Tc(3)CPI:執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期(4)CPU執(zhí)行時(shí)間:TCPU=InCPITcIn執(zhí)行程序中指令的總數(shù),CPI執(zhí)行每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù),TC時(shí)鐘周期時(shí)間的長(zhǎng)度。計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)3. MIPS、MFLOPS(1)MIPS(Million Instructions Per Second): CPU每秒鐘平均執(zhí)行的整數(shù)指令條數(shù)(百萬(wàn)條)MIPS = In/(TCPU106) = In/(InCPITc106) = Rc/(CPI106)In:執(zhí)行該程序的總指令數(shù), TCPU:執(zhí)行該程序的總時(shí)間,CPI:每條指令占用的時(shí)鐘周期數(shù);Tc:CPU時(shí)鐘周

29、期, Rc:主頻 Rc=1/Tc MIPS只適合評(píng)價(jià)標(biāo)量機(jī),不適合評(píng)價(jià)向量機(jī)。標(biāo)量機(jī)執(zhí)行一條指令,得到一個(gè)運(yùn)行結(jié)果。而向量機(jī)執(zhí)行一條指令,可以得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果。計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)(2) MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second): 每秒鐘平均執(zhí)行的浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù)(百萬(wàn)次)MFLOPS=Ifn/(TCPU106)Ifn:程序中浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù) MFLOPS測(cè)量單位比較適合于衡量向量機(jī)的性能。一般而言,同一程序運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上時(shí)往往會(huì)執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù),但所執(zhí)行的浮點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)常常是相同的。 典型題解單項(xiàng)選擇題:1、 完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括( )。A. 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器 B. 外部設(shè)備和主機(jī) C. 主機(jī)和實(shí)用程序D. 配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)答案: D2

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