計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

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

3.計(jì)算機(jī)的工作過程

（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、MFLOPSo

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

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50年了。

?目前，計(jì)算機(jī)的

關(guān)鍵部件也沒有

大的改變

>CPU

?DataPath

?Controller

>Memory

>1/0

卷）大連理工大學(xué)

KIJAXI■*、！?、mlitIIMMIMA計(jì)算機(jī)組成原理

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

UlO''.L'.ljI1Il.tj.nI'ItII'IIII?'

INSTRUCTIONN

zO

CODEFETCHo9

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cOX

CACHEfH

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d?功能部件

INSTRUCTION

CODE

TLBDECODE>CPU

COMPLEX?DataPath

BUSINTERFACEINSTRUCTION

LOGICSUPPORT?Controller

SUPERSCALER>Memory

INTEGER

EXECUTION>1/0

UNITS

PIPELINED

DATA

FLOATING

CACHE

MPLOGIC

IntelPentium

IIBtIIMMO計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)制

?Datapath:完成算術(shù)和邏

輯甌通常包括其中的

寄存器。

Control?Control:CPU的組成部

.三廠百根據(jù)程序指令來指

Input揮datapath,memory以

及I/O運(yùn)行，共同完成建序

Memory功能。

Datapat?Memory:存放運(yùn)行時(shí)程序

Output＞及其所需要的數(shù)據(jù)的場(chǎng)所。

?Input:信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)的

設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等。

?Output:將計(jì)算結(jié)構(gòu)展示

Computer版聲的設(shè)備，如顯示器、

磁盤、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等。

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I、l、litHMMIMA計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)組成原理

Bus-BasedComputer

⑥大連理工大學(xué)

UJA\!、1、，*川、mlitIIMMIMA計(jì)算機(jī)組成原理

AnatomyofaModernPC

IVIemorybus

PCIbus

ISAbus

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UJA\?snINMI^mlitIIMMIMA計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)剖析

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)處理器

邏輯設(shè)計(jì)

設(shè)備制造電路（VLSI）設(shè)計(jì)

磅大連拽工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)剖析（續(xù)）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)處理器

li

while(event=getnext())

/*processevent?/

switch(event->type){

caseBUTTONUP:0x0c004841

win=event->W0x00000000

'jalgetnext

if(twin)brea0x34040000

dobutton(winori$a0?$0r00x8c480009

break;Iw$t0/8($v0)0x00000000

caseBUTTONDOWN!Iw$t0,12($t0)0x8d09000c

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)0x00000000

li$tl,40x24090004

?beq$t0,$tl,0x4018a0—_1ccprm?

高級(jí)語言匯編語言

機(jī)器語言

⑥大連理工大學(xué)

MJAXINBIMMI%litHMMO計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)組成原理

SystemProcessor

ArchitectureDesign

LogicDesign

x0c004841

0x00000000

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li40x24090004

boq0x.4O18a.O0x11090002

AssemblyMachine

LanguageInstructions

計(jì)算機(jī)組成原理

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

1.1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

A1642年，年僅19歲的法國(guó)科學(xué)家BlaisePascal(1623-1662)

制造出的第一臺(tái)能工作的計(jì)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)語言Pascal就是以他的名字命名的。

A1945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。

A1946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)

ENIACo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。

意)大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理...:；2

?.一■

古代及近代計(jì)算技術(shù)

公元前500年，中國(guó)出現(xiàn)算盤

1642年,BlaisePascal發(fā)明

自動(dòng)進(jìn)位的加法機(jī)器，齒輪16世紀(jì)，Alkhowarizmi

驅(qū)動(dòng)撥盤，在窗口顯示結(jié)果提出算法概念，并出版

以算法(Algorithm)

1822年,CharlesBabbage,為題的書籍

微分機(jī)(DifferentialEngie)

1833年，分析機(jī)(Analytical

Engine),通用機(jī)鎏

AdaAugustaLovelace,第一位

程序員

圖靈機(jī)

1937年，AlanTuring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)。

存儲(chǔ)程序的思想，使計(jì)算機(jī)從專

用走向通用。正是這一創(chuàng)新，開

創(chuàng)了計(jì)算機(jī)的新時(shí)代。

50年代，Turing提出了“智能”計(jì)

算機(jī)的概念。Turing測(cè)試

適）大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理

Turing機(jī)特點(diǎn)

A通用計(jì)算機(jī)：并不是保存所有問題的結(jié)果。

A存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)：?jiǎn)栴}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(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間是有限的。

A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。

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

典型馮?諾依曼(VonNeumann)機(jī)結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)器1

輸入

-＞運(yùn)算器■

「I」

-控制器.

■數(shù)據(jù)線路

*控制信號(hào)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的鼻祖：五大功能部件

將程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示：存儲(chǔ)器有4096個(gè)字，每個(gè)字40位。

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。

⑥大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

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。

A機(jī)器以運(yùn)算器為中心，數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運(yùn)算器。

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計(jì)算機(jī)組成原理

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)器語言，匯編語言

?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)語言

?第三代中小規(guī)模集成電路時(shí)代U965-1970)：存儲(chǔ)容量

大，運(yùn)算速度快，幾十至幾百萬次/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

A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。摩爾定律

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計(jì)算機(jī)組成原理

ComputerGenerations

?Gen-O:Mechanicalcomputers(BCtoearly1940s)

?Gen-1:VacuumTubes(1943-1959)

?Gen-2:Transistors(1960-1968)

>JohnBardeen,WalterBrattain,andWilliamShockley

?Gen-3:IntegratedCircuits(1969-1977)

>JackKilby(1958)

?Gen-4:VLSI(1978-present)

?Gen-5:Optical?

Quantum?

生物？

）大連拽工大學(xué)

IsnlitHMMIMA計(jì)算機(jī)組成原理

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的里程碑

年代機(jī)器名稱制造者說明

1834AnalyticalEngineBabbage建造數(shù)字計(jì)算機(jī)的第一次嘗試

1936Z1Zuse第一臺(tái)使用繼電器的計(jì)算機(jī)器

1943COLOSSUS英國(guó)政府第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

1944MarkIAiken第一臺(tái)美國(guó)通用計(jì)算機(jī)

1946ENIACIEckert/Mauchley現(xiàn)代計(jì)算機(jī)歷史從它開始

1949EDSACWilkes第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)

1951WhirlwindIM.LT.第一臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)

1952IASVonNeumann大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)還用的設(shè)計(jì)

1960PDP-1DEC第一臺(tái)小型機(jī)（銷售50臺(tái)）

19611401IBM非常流行的小型商用機(jī)

19627094IBM60年代早期的主流科學(xué)計(jì)算用機(jī)

1963B5000Burroughs面向高級(jí)語言設(shè)計(jì)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)

1964360IBM系列機(jī)的第一個(gè)產(chǎn)品

19646600CDC第一臺(tái)用于科學(xué)計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)

1965PDP-8DEC第一臺(tái)占領(lǐng)市場(chǎng)的小型機(jī)（銷售50,000臺(tái)）

1970PDP-11DEC70年代的主導(dǎo)小型機(jī)

19748080Intel第一臺(tái)在一個(gè)芯片上的8位計(jì)算機(jī)

1974CRAY-1Cray第一臺(tái)向量超級(jí)計(jì)算機(jī)

1978VAXDEC第一臺(tái)32位超級(jí)小型計(jì)算機(jī)

1981IBMPCIBM開創(chuàng)現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)新紀(jì)元

1985MIPSMIPS第一臺(tái)商用RISC機(jī)

1987SPARCSun第一臺(tái)基于SPARC的RISC工作站

1990RS6000IBM第一臺(tái)超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)

第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

MauchlyandEckert設(shè)計(jì)

1946年2月14日

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)

通過設(shè)置6000個(gè)開關(guān)和其它眾多的插頭和插座來編程

第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)：PDP-1

A1957年由DEC公司生產(chǎn)

A第二代計(jì)算機(jī)（晶體管）

A18位字長(zhǎng)，4K內(nèi)存，機(jī)器周期為5微秒

?售價(jià)120000美元。售出50臺(tái)。

?開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)!

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計(jì)算機(jī)組成原理

第一個(gè)系列計(jì)算機(jī)：舊M360

?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)：IBM360

?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

適）大連理工大學(xué)

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計(jì)算機(jī)組成原理

應(yīng)用的普及：舊MPC機(jī)

&

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?，胴晶?、?/p>

⑨大連拽2大學(xué)

?>/l?*IJA\（、1、?M*m?》litIIXM4M.1

RISC計(jì)算機(jī)

▼孤涉‘

精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)

指令系統(tǒng)盡量簡(jiǎn)單，復(fù)雜指令通過簡(jiǎn)單指令的組合來完成

提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度

磅大連拽工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

.

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)。近年來人

們?cè)谥\求突破傳統(tǒng)諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為

非諾依曼化。表現(xiàn)在3個(gè)方面。

■對(duì)傳統(tǒng)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。

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

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

>????????

卷）大連理工大學(xué)

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計(jì)算機(jī)組成原理

■

1.1.3計(jì)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(gè)CPU

組成Cray-1,Cray-2,Cray-3,國(guó)產(chǎn)銀河I,銀河II,銀河IH,

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-PDP11（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(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。

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計(jì)算機(jī)組成原理

1.2計(jì)算機(jī)硬件組成

?基本部件有中央處理器CPU（運(yùn)算器和控制器）、存

儲(chǔ)器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

?早期運(yùn)算器和控制器為硬部分,現(xiàn)在集成在一起。

?存疑器用來存放程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)各種信息的存

儲(chǔ)和交流中心。存儲(chǔ)器可與CPU、輸入輸出設(shè)備交換

信息。

?般人貨備用來輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。

輸入的信息有數(shù)字符、字母和控制符等。

?耨出發(fā)備用來輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果。可以是數(shù)字、

字母、表格、圖形等。

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

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

地址總線

>ROM

>RAM-

>輸入/輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）運(yùn)算器

和控制

>總線存儲(chǔ)器輸入/輸

?DB—DATABUS出設(shè)備

CPU

?AB—ADDRESSBUS

rsr

?CB—CONTROLBUSvI

I控制總線

⑥大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

1.3計(jì)算機(jī)軟件組成

A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。

［操作系統(tǒng)或管理軟件

匯編程序

，系統(tǒng)軟件J高級(jí)語言的編譯或解釋程序

|故障診斷或檢驗(yàn)程序

J系統(tǒng)調(diào)試程序

軟件組成X〔數(shù)據(jù)庫管理程序

f使用者根據(jù)需要采用各類語言

【應(yīng)用軟件《編寫的各種應(yīng)用程序，包括各

代類應(yīng)用軟件包

磅大連拽工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)的語言簡(jiǎn)介

自然語言：人類相互交流信息所用的語言。

高級(jí)語言：一種和自然語言接近并能為計(jì)算機(jī)接受

的語言，這種語言被稱為計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言。

匯編語言：符號(hào)式程序設(shè)計(jì)語言，屬于低級(jí)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）。

適）大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理

1.4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

?硬件分為5大部分：控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入

設(shè)備和輸出設(shè)備。

＞早期運(yùn)算器和控制器構(gòu)成計(jì)算機(jī)的CPU,現(xiàn)在一般還

加上CPU內(nèi)部的Cache共同構(gòu)成CPU，Cache是存儲(chǔ)器中

速度最快，容量最小的存儲(chǔ)器。

A對(duì)馮?諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)要有深刻的理解:

使用二進(jìn)制（為何用二進(jìn)制？）

?存儲(chǔ)程序，并且按照地址順序執(zhí)行，是馮?諾依曼計(jì)

算機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思想。

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2.計(jì)算機(jī)軟件的分類

＞計(jì)算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深悾?/p>

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(shí)現(xiàn)用戶的某類要

求。

意）大連理工大學(xué)

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

3.計(jì)算機(jī)的工作過程(參見唐朔飛教材(2版)P16)

>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。

>馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)包含5個(gè)基本部件：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。運(yùn)算器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)變換；控制器為計(jì)算

機(jī)的工作提供統(tǒng)一的時(shí)鐘，對(duì)程序的各基本操作進(jìn)行時(shí)序劃分，產(chǎn)生相

應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)的各部件有序地完成程序規(guī)定的操作內(nèi)容；

存儲(chǔ)器用來存放程序、數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果；輸入輸出設(shè)備則完成相應(yīng)的輸

入輸出轉(zhuǎn)換。

>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

?PC—MAR,MDR-R

?OP(IR)-CU,操作數(shù)地址碼一MAR,操作數(shù)fMDR,MDR->ACC

?(PC)+1-*PC

意）大連理工大學(xué)

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4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

（D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)（或5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)、匯編語言級(jí)和高級(jí)語言級(jí)組成，如圖所示：

高級(jí)語言級(jí)（應(yīng)用程序）

匯編語言級(jí)（系統(tǒng)程序）｝軟件部分

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)）硬、軟界面

微程序級(jí)（微程序控制器）

，硬件部分

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)

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。

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

■

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

(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(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

低硬件開銷。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。

意)大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

（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，以提高性價(jià)比。

?固件：把軟件刻入ROM,使軟件固化，這樣得到的一個(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。

意）大連理工大學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理

1.5計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)

?基本字長(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)。

?是CPU一次能處理的數(shù)據(jù)寬度，與加法器、寄存器的位數(shù)和內(nèi)部

數(shù)據(jù)總線的寬度等有關(guān)。

-字長(zhǎng)標(biāo)志著精度，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，運(yùn)算精度越高。

?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。

＞主存容量：計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器所能夠存儲(chǔ)的信息的全部總量，

稱為主存容量。以字節(jié)數(shù)來表示存儲(chǔ)容量的計(jì)算機(jī)稱為字節(jié)

編碼計(jì)算機(jī)；而以字為單位編址的計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)容量等于字

數(shù)乘以字長(zhǎng)。

＞主頻：每臺(tái)計(jì)算機(jī)的內(nèi)部都有一個(gè)不斷地產(chǎn)生固定頻率時(shí)鐘

脈沖的裝置，稱為主時(shí)鐘。主時(shí)鐘的頻率通常是機(jī)器的主頻

率，主頻率是衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)速度的重要參數(shù)。

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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)不同類型指令在計(jì)算過程中出現(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)量單位來衡量運(yùn)算速度。MIPS表示

每秒百萬條指令，MFLOPS表示每秒百萬次浮點(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：從事件開始到事件結(jié)束的時(shí)間，也稱執(zhí)行

時(shí)間。

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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)CPU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=InXCPIXTc

In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。

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計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)

3.MIPS、MFLOPS

(1)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：CPU每秒鐘

平均執(zhí)行的整數(shù)指令條數(shù)(百萬條)

MIPS=In/(TX106)

LcrpUn

=In/(InXCPIXTcX106)

=Rc/(CPIX106)

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，

Tc：CPU時(shí)鐘周期，Rc：主頻Rc=l/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)