计算机组成原理第一章chp12PPT课件

1第一章 绪论1.4计算机的软件计算机的软件一、软件的组成与分类一、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：系统中不可少的无形部件。主要有两大类：系统软件系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提：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：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应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。的程序。2第一章 绪论1.4计算机的软件计算机的软件二、软件的发展演变二、软件的发展演变编程语言的发展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3第一章 绪论1.5计算机系统结构概念计算机系统结构概念一、多级计算机系统一、多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体杂的硬、软件结合而成的整体或智能设备，是一个复杂系统。或智能设备，是一个复杂系统。虚拟机：不同人看到计算机不虚拟机：不同人看到计算机不同同通常由五个以上不同的级组成，通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如每一级都能进行程序设计，如图所示。图所示。4第一章 绪论1.5计算机系统结构概念计算机系统结构概念二、五级计算机层次系统二、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。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，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。这一级也是它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。硬件级。第三级是操作系统级，它由操作系统程序实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。指令，所以这一级也称为混合级。5第一章 绪论1.5计算机系统结构概念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。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。高级语言编译程序支持和执行。6第一章 绪论1.5计算机系统结构概念计算机系统结构概念三、软件与硬件逻辑等价性三、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，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：计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：u价格u速度u可靠性u存储容量u变更周期 实体硬件机功能的扩大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）固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）7第一章 绪论四、计算机体系结构四、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、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软硬件界面的确定 Amdahl于于1964年在推出年在推出IBM360系列计算机时提出：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和功能特性u程序员：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统u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计算机系统结构概念8第一章 绪论1.5计算机系统结构概念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，计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：主要包括：确定数据通路的宽度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专用的功能部件 确定功能部件的并行度确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略设计缓冲和排队策略 设计控制机构设计控制机构 确定采用何种可靠性技术确定采用何种可靠性技术9第一章 绪论1.5计算机系统结构概念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、计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：括：处理机、主存储器等部件的物理结构处理机、主存储器等部件的物理结构器件的集成度和速度器件的集成度和速度专用器件的设计专用器件的设计器件、模块、插件、底版的划分与连接器件、模块、插件、底版的划分与连接信号传输技术信号传输技术电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等。术等。10第一章 绪论4、三者之间关系、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。者之间的界限越来越模糊。1.5计算机系统结构概念11第一章 绪论五、系统结构分类五、系统结构分类按并行性按并行性(a)SISD 结构 (b)SIMD结构(c)MISD 结构 (d)MIMD结构图 1-7 Flynn 分类法中四种系统的基本结构MMmMMmMMmMM2MM2MM2MM1MM1MM1MMPUnPU2PUnPUnPU2PU2PU1PU1PU1PUCUCUnCUnCU2CU2CU1CU1CU1.5计算机系统结构概念12第一章 绪论1.6计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标一、技术指标一、技术指标u机器字长：运算器一次运行二进制位数u运算速度u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.u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）6MFLOPS=10浮点数操作次数执行时间13第一章 绪论1.6计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标u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。u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。u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。14第一章 绪论CPU 执行时间执行时间=(CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序)X 时钟周期时钟周期 =(CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序)时钟频率时钟频率 =(指令条数指令条数/程序程序)X CPI X 时钟周期时钟周期CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序=(指令条数指令条数/程序程序)X CPICPI=(CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序)(指令条数指令条数/程序程序)CPI 用来衡量以下各方面的综合结果用来衡量以下各方面的综合结果uInstruction Set Architecture（ISA）uImplementation of that architectureuprogram CPI：Cycles Per Instruction1.6计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标15第一章 绪论1.6计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标举例说明举例说明 在已知指令系统内部各类指令的执行时间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）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）。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：显然，其等效的运算速度应为：1niTfi Ti1VT16第一章 绪论举例说明举例说明指令名称指令名称参数参数传送指令传送指令 加、减加、减法指令法指令乘、除乘、除法指令法指令逻辑运逻辑运算指令算指令其他其他指令指令其他指令其他指令使用频度使用频度（）（）30302020101020202020执行时间执行时间（nsns）2002004004002500250030030025025017第一章 绪论举例说明举例说明于是这台机器的等效运算速度应为：于是这台机器的等效运算速度应为：=2 =2*10106 6条条/秒秒=2MIPS=2MIPS91(0.3 200 0.2 400 0.1 2500 0.2 300 0.2 250)10V 91(60 80 250 60 50)10 18第一章 绪论1.6计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标必须紧紧以性能必须紧紧以性能/价格比为核心价格比为核心性能的衡量标准性能的衡量标准u时间、基准程序、硬件测量工具价格的因素价格的因素u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性能价格设计的一些原则19第一章 绪论1.6计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标Amdahl定律：定律：加速经常使用的部分加速经常使用的部分eeeoeSffTT)1(eeeSffS)1(120第一章 绪论 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的20%，浮点乘操作在该程序中占总执行时间，浮点乘操作在该程序中占总执行时间30%，现，现通过两种方法加速两操作：增加专门的硬件处理求平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方根，使其执行速度为原来的10倍；通过调整流水线倍；通过调整流水线把浮点乘速度提高为原来的把浮点乘速度提高为原来的1.6倍。倍。问：采用两种方法增强后此基准程序加速比是多少？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计算机系统的主要技术指标21第一章 绪论30%20%加速比加速比=增强前时间增强前时间/增强后时间增强后时间 =1/=1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6)0.5+0.2/10+0.3/1.6)=1/0.7075 =1/0.7075 =1.41 =1.41=1/(1-0.3-0.2)+0.2/10+0.3/1.6)=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计算机系统的主要技术指标22第一章 绪论第一章小结第一章小结 计算机系统的计算机系统的 基本概念基本概念u构成：硬件和软件u层次结构 计算机系统的基本工作原理计算机系统的基本工作原理 计算机的基本组成部分计算机的基本组成部分u五大部件 冯冯诺依曼型计算机特点诺依曼型计算机特点u存储程序,自动执行 u以运算器为中心 计算机发展特点计算机发展特点 计算机系统指标计算机系统指标 计算机系统概念计算机系统概念23第一章 绪论第一章小结第一章小结本章重点本章重点:u建立计算机系统整体概念u了解计算机系统基本概念u掌握冯诺依曼计算机模型以及计算机组成u理解计算机系统层次结构u理解计算机系统结构概念本章难点本章难点:u计算机自动执行时控制器如何区分指令和数据u计算机系统结构概念24第一章 绪论作业作业P15,4、6举例说明计算机系统运行过程举例说明计算机系统运行过程25第一章 绪论复习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。26第一章 绪论复习1、运算基础 位置计数法位置计数法(带权记数法带权记数法)的数制均有以下的数制均有以下几个主要特点：几个主要特点：(1)数码个数等于基数，最大数码比基数小数码个数等于基数，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，即由每个数所在的位置决定的，即“位权位权”，简，简称权；称权；(3)低位向高位的进位是低位向高位的进位是“逢基数进逢基数进1”27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 1234/1234D 572Q（O）2F0AH123.45=110221013100410-1510-228第一章 绪论复习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294、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 0.6252=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11001.101B30第一章 绪论复习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=010011110101.11000010B31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”，低电平表示逻辑“0”）&A Y B （与与门门）A Y B （或或门门）1&1 1 A Y B （与与非非门门）A Y B （或或非非门门）A Y （非非门门）1 A Y B （异异或或门门）32第一章 绪论复习2、基本逻辑电路（二）三态门（二）三态门（三）（三）OC门门R1uoR4R3VT5VT2VT3R2VT1ENR4R3VT5VT2VT3R2R1VD4VDABVT1VD4VCCENFZAB10&ABFENEN&ABF33第一章 绪论三态门应用三态门应用&ENB&ENACG1G2&EN&EN&ENG1G2G3B1B2B3A1A2A3C1C2C3数 据 总 线地 址 线至 接 收 端34第一章 绪论OC门应用门应用N个OC门&K个TTL门输入端M个TTL门cRVCCILIRcIILIILIOLI35第一章 绪论触发器触发器1nQnQ010110011不定SR0表 4.2 真值表&QQRSCPDCBA&QQRSCPDCBARdSd同步异步36第一章 绪论多路选择开关多路选择开关A BY00D001D110D211D31537421LSDDDDENY3210A1A037end38第一章 绪论练练 习习 1 某台计算机只有某台计算机只有Load/Store 指令能对存储器进行读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程序跟踪实验结果，已知每种指令所占的比例及CPI数如下：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 24 239第一章 绪论练练 习习 求上述情况下的平均求上述情况下的平均CPI。假设该程序由假设该程序由M条指令组成。算逻运算中条指令组成。算逻运算中25%的指令两个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行前用Load指令从存储器取到寄存器。因此有人指令从存储器取到寄存器。因此有人建议增建议增加另一种算逻指令加另一种算逻指令，其特点是一个操作数取自寄存器，另，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，即寄存器一个操作数取自存储器，即寄存器存储器类型，假设这存储器类型，假设这种指令的种指令的CPI等于等于2。同时，转移指令的。同时，转移指令的CPI变为变为3。求新。求新指令系统的平均指令系统的平均CPI。40第一章 绪论答答 CPI=(43CPI=(431 121212 212122 224242)2)=1.57=1.57 434325251111 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 CPICPInewnew=(11=(112 232321 110102 212122 224242)2)=1.46=1.46CPInew=(11CPInew=(112 232321 110102 212122 224242)/892)/89 =1.64=1.64?41第一章 绪论练练 习习 2 假设某机器获得如下测量值：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：比较两种方案哪个更好：把浮点求平方根指令把浮点求平方根指令CPI降至降至2；把所有浮点操作把所有浮点操作CPI降至降至2.5。42第一章 绪论答答 CPICPI原原=(4=(425%)25%)(1.33(1.3375%)=2.075%)=2.0:除浮点求平方根之外的浮点指令的除浮点求平方根之外的浮点指令的CPICPI =（4-(2/25)4-(2/25)2020）/(23/25)/(23/25)=2.61 =2.61 CPI=(2.61 CPI=(2.6123%)23%)(2(22%)+(1.332%)+(1.3375%)=75%)=1.641.64or CPI=2-2%or CPI=2-2%(20-2)=(20-2)=1.641.64:CPI CPI原原=(2.5=(2.525%)25%)(1.33(1.3375%)=75%)=1.6251.625个人观点供参考，欢迎讨论