計算機(jī)組成原理：第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概述

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

2、算機(jī)器。整臺機(jī)器是純機(jī)械設(shè)備，使用手柄驅(qū)動，用齒輪傳動，能完成加法和減法。程序設(shè)計語言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)表電子計算工具邏輯設(shè)計論文，提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲程序控制計算機(jī)構(gòu)想。1946年, 美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計算機(jī) ENIAC。重約30噸，耗電150kW，占地170平米，用電子管18800個，每秒5000次加法。1.1.1 計算機(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人，興趣廣泛，讀書過目不忘據(jù)

3、說他6歲時就能用古希臘語同父親閑談，一生掌握了七種語言。在計算機(jī)方面，提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲程序控制計算機(jī)構(gòu)想，促進(jìn)了電子計算機(jī)的發(fā)明，鑒于馮諾依曼在發(fā)明電子計算機(jī)中所起到關(guān)鍵性作用，他被西方人譽(yù)為計算機(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年代撰寫的量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)被證明對原子物理學(xué)的發(fā)展有極其重要的價值。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：存儲程序，并且按照地址順序自動執(zhí)行。首先將指令和數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)中，計算機(jī)啟動后，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，得到計算結(jié)果為止。圖靈機(jī)1937年，Alan Turing提出一種“通用”計算機(jī)的概念，它可以執(zhí)行任何一個描述好的程序（算法），實現(xiàn)需要的功能，形成了“可計算性”概念的基礎(chǔ)。 50年代，Turing提出了“智能”計算機(jī)的概念,計算機(jī)接收的不僅僅是數(shù)據(jù)，包括對數(shù)據(jù)處理的指令，要把人類的知識灌輸給機(jī)器，讓機(jī)器具備接收知識并運用知識的能力。Turing機(jī)特點通用計算機(jī)：并不是保存所有問題的結(jié)果。存儲程序計算機(jī)：問題的求解由程序或過程給出，程序和過程可以通過語言描述。有限速度：計算機(jī)執(zhí)行程序的時間是有限的。有限空間：計算機(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)代計算機(jī)的鼻祖。1912年6

5、月23日，出生于英國倫敦。 1931年-1934年，在英國劍橋大學(xué)國王學(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，主要研究可計算理論，并提出“圖靈機(jī)”的構(gòu)想。 1936年-1938年，主要在美國普林斯頓大學(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，主要從事計算機(jī)程序理論的研究，并同時在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能領(lǐng)域做出開創(chuàng)性的理論研究。 1949年，成為世界上第一位把計算機(jī)實際用于數(shù)學(xué)

6、研究的科學(xué)家。 1950年，發(fā)表論文“計算機(jī)器與智能”，為后來的人工智能科學(xué)提供了開創(chuàng)性的構(gòu)思。提出著名的“圖靈測試”理論。 1951年，從事生物的非線性理論研究。年僅39歲的圖靈，被選為英國皇家學(xué)會會員。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)是等價的，也就是說：它不僅方便了，而且沒有可計算性上的代價。（2）在硬件及其結(jié)構(gòu)上：既然邏輯上已經(jīng)把一些指令集獨立出來，那么有必要設(shè)計一些物理設(shè)備來單獨實現(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，也許只有在計算機(jī)學(xué)家+工程師的雙重視角下才能實現(xiàn)。而二則的結(jié)合實現(xiàn)，現(xiàn)在有了一個鼎鼎大名的名字：計算機(jī)。典型馮.諾依曼（Von Neumann）機(jī)結(jié)構(gòu)計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖存儲器輸出輸入運算器控制器數(shù)據(jù)線路控制信號現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)的鼻祖：五大功能部件采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)：簡化了存儲器只提供整數(shù)運算：任何有能力的數(shù)學(xué)家都能在頭腦中記住小數(shù)點的位置。馮.諾依曼機(jī)的基本特點計算機(jī)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中，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。指令在存儲器中按執(zhí)行順序

8、存放，由指令計數(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)器以運算器為中心，數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器。1.1.2 電子計算機(jī)的發(fā)展簡史第一代 電子管時代(1946-1958)： 耗電高，體積大，定點計算，機(jī)器語言，匯編語言第二代 晶體管時代(1958-1965)：變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言第三代 中小規(guī)模集成電路時代(1965-1970)：存儲容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒第四代 大規(guī)模集成電路時代(1971至今)：向大型機(jī)和微型機(jī)兩個方向發(fā)展現(xiàn)代計算機(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。第一臺通用電子計算機(jī)ENIACElectronic Nu

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

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

11、能?提高計算機(jī)性能提高計算機(jī)性能的方向是采用并行處理技術(shù)。近年來人們在謀求突破傳統(tǒng)諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為非馮諾依曼化。表現(xiàn)在3個方面: 對傳統(tǒng)馮諾依曼機(jī)進(jìn)行改造，如采用多個處理部件形成流水線處理，依靠時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)動方式。例如采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式，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)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/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)是指包含兩臺或多臺功能相近的處理器，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現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、程序、數(shù)組極其元素各級的全面并行。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6144個CPU，5120個GPU，峰值性能：2.57千萬億次。天河一號于2010年投入使用后，在航天、天氣預(yù)報、氣候預(yù)報和海洋環(huán)境模仿方面均取得了顯著成就。2014年11月17日,中國“天河二號”超級計算機(jī)，第四次摘得全球運行速度最快的超級計算機(jī)桂冠。 最高速度：每秒

13、33.9千萬億次浮點運算, 16000個節(jié)點組成，共計有312萬個計算核心。天河存在的問題（1）速度第一效率落后：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的落后 天河二號的實用性、效率難令人滿意。2014年6月公布的世界超算500強(qiáng)天河二號計算效率為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，美國商務(wù)部發(fā)布報告，決定拒絕英特爾公司向中國的國家超級計算廣州中心出售至強(qiáng)芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請。國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學(xué)四家國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或多個完整的計算引擎(內(nèi)核)。多核技術(shù)的開發(fā)源于工程師們認(rèn)識到，僅僅提高單核芯片的速度會產(chǎn)生過多熱量且無法帶來相應(yīng)的性能改善。處理器的可靠性就會受到致命性的影響。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，他曾公開表示，引領(lǐng)半導(dǎo)體市場接近40年的“摩爾定律”，在未來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%。下一代計算機(jī)Babbage：更快、更高、更強(qiáng)Turing：智能計算機(jī)Bush：信息網(wǎng)格q

15、uantum computer: 量子計算？1.2 計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)處理器存儲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 計算機(jī)硬件組成運算器 （Arithmetical Unit ，ALU）: 完成算術(shù)和邏輯運算，通常包括其中的寄存器?？刂破? CPU的組成部分，它根據(jù)程序指令來指揮運算器， 存儲器以及I/O運行，共同完成程序功能。存儲器: 存放運行時程序及其所需要的數(shù)據(jù)的場所。輸入: 信息進(jìn)入計算機(jī)的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等。輸出: 將計算結(jié)構(gòu)展示給用戶的設(shè)備，如顯示器、磁盤、打印機(jī)、揚聲器等。ComputerMemoryInputOutputArithmeticalControl

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

17、計算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深悾合到y(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件：用于管理整個計算機(jī)系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計算機(jī)正常高效地運行，這類軟件面向系統(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，這類軟件通常實現(xiàn)用戶的某類要求。計算機(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 高級語言的編譯或解釋程序故障診斷或檢驗程序系統(tǒng)調(diào)試程序 數(shù)據(jù)庫管理程序 使用者根據(jù)需要采用各類語言編寫的各種應(yīng)用程序，包括各類應(yīng)用軟件包計算機(jī)的語言簡介自然語言：人類相互交流信息所用的語言。 高級語言：一種和自然語言接近并能為計算機(jī)接受的語言，這種語言被稱為計算機(jī)的高級語言 。 匯編語言：符

18、號式程序設(shè)計語言，屬于低級語言。機(jī)器語言：機(jī)器能執(zhí)行的語言，這種語言被稱為機(jī)器語言（由二進(jìn)制代碼表示的指令組成）。 計算機(jī)的工作過程 馮諾依曼計算機(jī)特點基本上指出了計算機(jī)的工作過程。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基本思想是：存儲程序，并且按照地址順序自動執(zhí)行。首先將指令和數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)中，計算機(jī)啟動后，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個階段1、實際機(jī)器機(jī)器語言程序直接在M1上執(zhí)行實際機(jī)器 M1 在計算機(jī)誕生初期，用戶使用二進(jìn)制的0/1代碼來編寫程序，這就要求用戶對計算機(jī)硬件和指令系統(tǒng)非常了解。編程難度大，易出錯。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型部分：規(guī)定該指令執(zhí)行的運行類型操作數(shù)部分：規(guī)定對哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運算001 1001匯編語言與機(jī)器指令對應(yīng)，匯編指令也由兩部分組成操作碼：規(guī)定該指令執(zhí)行的運行類型地址碼（操作數(shù)）：規(guī)定對哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運算助記符ADD 9源操作數(shù)目的操作數(shù)001 10012、匯編語言將匯編語言程序翻譯為機(jī)器語言程序，然后在M1上執(zhí)行。匯編語言虛擬機(jī) M2實際機(jī)器 M1匯編器 把機(jī)器指令用助記符代替，即為匯編語言，匯編語言指令與機(jī)器指令一一對應(yīng)。匯編語言運行效率同機(jī)器語言，相對于機(jī)器語言來說提高了開發(fā)效率,但是仍舊高度硬件相關(guān)，需要程序員了解硬件。匯編程序沒有可移植性。大連理

20、工大學(xué) 軟件學(xué)院 賴曉晨3、高級語言將高級語言程序翻譯為匯編語言，然后再翻譯為機(jī)器語言程序，在M1上執(zhí)行。匯編語言虛擬機(jī) M2 高級語言克服了匯編語言開發(fā)效率低的缺點，更加接近問題，編程方便，但是運行效率低于匯編語言。高級語言分為編譯程序和解釋程序兩種類型。實際機(jī)器 M1匯編器高級語言虛擬機(jī) M3編譯器大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院 賴曉晨計算機(jī)語言的比較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；高級語言 匯編語言 機(jī)器語言運行效率提高開發(fā)效率提高，可移植性增強(qiáng)1.2.3計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（1）層次結(jié)構(gòu)。計算機(jī)系統(tǒng)是一個復(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個不同的級組成，在每一級都能夠進(jìn)行程序設(shè)計。由邏輯部件級、微程序設(shè)計級、指令系統(tǒng)級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級和高級語言級組成，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算機(jī)屬性各不相同。高級語言級（應(yīng)用程序）匯編語言級（系統(tǒng)程序）操作系統(tǒng)級（操作系統(tǒng)）傳統(tǒng)機(jī)器級（指令系統(tǒng)）微程序級（微程序控制器）邏輯部件級（硬件邏輯部件）計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

22、（2）軟件和硬件邏輯上的等價性計算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過軟件擴(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)雜的功能則通過軟件實現(xiàn)。計算機(jī)是一個軟件和硬件結(jié)合的整體系統(tǒng)。在機(jī)器中，許多功能既可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn)。功能分配與設(shè)計目標(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，以降低硬件開銷。如依靠軟件實現(xiàn)乘、除、浮點運算等更高級一些的功能。現(xiàn)在存在軟件硬化的趨勢，即硬件完成較復(fù)雜功能，以提高系統(tǒng)處理速度。如浮點運算器等。（2）軟件和硬件邏輯上的等價性軟件固化：運行微程序?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜功能，以提高性價比。固件：把軟件刻入ROM,使軟件固化，這樣得到

23、的一個實體就是固件。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)計思想實際上就是系列機(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 計算機(jī)的分類巨型機(jī)世界幾家公司生產(chǎn)，如最快1.4萬億次，9千個CPU組成Cray-1,Cray-2,Cray-3,國產(chǎn)銀河I, 銀河II, 銀河III，我國神威號速度達(dá)3480億次/秒。大型機(jī)大中型企事業(yè)單位作為計算中心的主機(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業(yè)領(lǐng)域，例如圖像處理和輔助設(shè)計等。典型產(chǎn)品有HP-APOLLO，SUN工作站等。微型機(jī)個人或家庭使用，PC機(jī)/個人計算機(jī)，價格低廉。嵌入式計算機(jī)掌上電腦、平板電腦，移動計算。1.* 計算機(jī)應(yīng)用科學(xué)計算信息處理家用電器CAD/CAMCAT/CAI自動控制人工智能測量測試教育衛(wèi)生1.* 計算機(jī)的發(fā)展趨勢巨型化運算速度可達(dá)每秒幾百億次運算。1975年世界上第一臺超級計算機(jī)“Cray-I”超級計算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報、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)計算的高科技領(lǐng)域。微型化網(wǎng)絡(luò)化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源。智能化 使計算機(jī)具有視覺、聽覺、語言、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)器昆蟲等1.4 計算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)一、機(jī)器字長指計算機(jī)內(nèi)，表示一個操作數(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字長越長，數(shù)的表示范圍越大，精度越高，速度越快，價格越高。影響計算機(jī)的處理能力和運行性能。通常選字節(jié)的整數(shù)倍：2、4、8倍等。

26、二、存儲容量主存容量輔存容量存儲單元個數(shù) 存儲字長, 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、運算速度速度衡量方法主頻執(zhí)行一次加法或乘法所需時間吉普森法： MIPS：每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)FLOPS：每秒執(zhí)行的浮點指令數(shù)CPI：平均每條指令所需時間 =ni =1fi tiTM 計算機(jī)的運行速度與主頻、操作類型、內(nèi)存速度等很多因素有關(guān)。提高速度的兩個主要方法是提高主頻以及改進(jìn)體系結(jié)

27、構(gòu)。 計算機(jī)性能指標(biāo)運算速度：運算速度通常反映計算機(jī)運算的快慢。對運算速度的衡量有以下幾種方法：根據(jù)不同類型指令在計算過程中出現(xiàn)的頻率乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，這時所指的運算速度是平均運算速度。直接給出每條指令的實際執(zhí)行時間。以MIPS和MFLOPS作為計量單位來衡量運算速度。MIPS表示每秒百萬條指令，MFLOPS表示每秒百萬次浮點運算。1. 吞吐量、響應(yīng)時間（1) 吞吐量：單位時間內(nèi)可執(zhí)行程序的個數(shù)。（2) 響應(yīng)時間：從事件開始到事件結(jié)束的時間，也稱執(zhí)行時間。計算機(jī)性能指標(biāo)2. 主頻、CPU時鐘周期、CPI、CPU執(zhí)行時間（1）主頻：CPU工作主時鐘的頻率，機(jī)器主頻f或Rc （2）C

28、PU時鐘周期：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鐘周期（4）CPU執(zhí)行時間：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鐘周期數(shù)，TC時鐘周期時間的長度。計算機(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)行該程序的總時間，CPI：每條指令占用的時鐘周期數(shù)；Tc：CPU時鐘周

29、期， Rc：主頻 Rc=1/Tc MIPS只適合評價標(biāo)量機(jī)，不適合評價向量機(jī)。標(biāo)量機(jī)執(zhí)行一條指令，得到一個運行結(jié)果。而向量機(jī)執(zhí)行一條指令，可以得到多個運算結(jié)果。計算機(jī)性能指標(biāo)（2） MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)： 每秒鐘平均執(zhí)行的浮點數(shù)的運算次數(shù)(百萬次)MFLOPS=Ifn/(TCPU106)Ifn：程序中浮點數(shù)的運算次數(shù) MFLOPS測量單位比較適合于衡量向量機(jī)的性能。一般而言，同一程序運行在不同的計算機(jī)上時往往會執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù)，但所執(zhí)行的浮點數(shù)個數(shù)常常是相同的。 典型題解單項選擇題：1、 完整的計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括（ ）。A. 運算器、存儲器、控制器 B. 外部設(shè)備和主機(jī) C. 主機(jī)和實用程序D. 配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)答案： D2