1、1計算機組成原理計算機組成原理 任國林任國林 Email: 2第第1 1章章 計算機系統概論計算機系統概論31.1 1.1 計算機系統簡介計算機系統簡介一、計算機系統的軟硬件一、計算機系統的軟硬件 * *電子計算機：電子計算機： 數據存儲、數據傳送、數據處理，過程控制數據存儲、數據傳送、數據處理，過程控制 * *計算機系統的組成：計算機系統的組成：具有具有特定功能特定功能的信息的信息( (程序程序) )。如系統程序、應用程序如系統程序、應用程序計算機計算機系統系統表示應用需求表示應用需求 是采用是采用按位及跳動式計算按位及跳動式計算、能夠、能夠根據邏輯判斷結果控制計根據邏輯判斷結果控制計算過程

2、算過程的電子式的電子式機器機器 * *計算機的功能：計算機的功能：計算機的物理實體；計算機的物理實體；如主機、外設等如主機、外設等計算機硬件計算機硬件計算機軟件計算機軟件4 功能的實現方式功能的實現方式 * *計算機系統功能的實現方式：計算機系統功能的實現方式： 解題過程解題過程解題結果運行運行 * *計算機系統組成的特性：計算機系統組成的特性： 軟件功能靠硬件實現，硬件性能靠軟件反映軟件功能靠硬件實現，硬件性能靠軟件反映 硬件硬件數據的存儲、傳送及處理和過程控制功能數據的存儲、傳送及處理和過程控制功能 軟件軟件應用的數據處理及過程控制需求應用的數據處理及過程控制需求 程序(指令序列，硬件用不

3、同指令表示不同功能) 執行軟件執行軟件應用的數據處理及過程控制功能應用的數據處理及過程控制功能用用 戶戶輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備處理設備處理設備存儲設備存儲設備目標程序(機器語言)源程序(高級語言)編輯編輯 編譯編譯5二、計算機系統的層次結構二、計算機系統的層次結構直接執行機器指令直接執行機器指令機器語言級機器機器語言級機器 M1M1用用機器語言機器語言編程編程匯編語言級機器匯編語言級機器 M3M3用用匯編語言匯編語言編程編程用用匯編程序匯編程序翻譯翻譯 成機器語言程序成機器語言程序高級語言級機器高級語言級機器 M4M4用用高級語言高級語言編程編程用用編譯程序編譯程序翻譯翻譯 成匯編語

4、言程序成匯編語言程序 或機器語言程序或機器語言程序操作系統級機器操作系統級機器 M2M2使用使用操作系統命令操作系統命令用用機器語言機器語言解釋解釋 操作系統命令操作系統命令 微程序級機器微程序級機器 M0M0使用使用微指令系統微指令系統用用微程序微程序解釋解釋 機器指令機器指令直接執行微指令直接執行微指令虛擬機器虛擬機器實際機器實際機器6三、計算機結構與組成三、計算機結構與組成 * *計算機系統結構：計算機系統結構：機器語言程序員機器語言程序員所看到的所看到的計算機屬性計算機屬性 概念性結構和功能特性概念性結構和功能特性數字電路級機器數字電路級機器指令系統、數據表示、尋址方式指令系統、數據表

5、示、尋址方式, ,存儲系統，存儲系統，I/OI/O系統、信息保護等系統、信息保護等機器語言級機器機器語言級機器 M1M1 微程序級機器微程序級機器 M0M0硬件硬件軟件軟件匯編語言級機器匯編語言級機器 M3M3高級語言級機器高級語言級機器 M4M4操作系統級機器操作系統級機器 M2M2軟硬件軟硬件交界面交界面 * *計算機組成：計算機組成：實現計算機系統結構時實現計算機系統結構時所體現的計算機屬性所體現的計算機屬性指令功能邏輯實現、部件組成、指令功能邏輯實現、部件組成、控制機構、排隊及緩沖技術等控制機構、排隊及緩沖技術等器件技術、組裝技術等器件技術、組裝技術等 * *計算機實現：計算機實現：實

6、現計算機組成時實現計算機組成時所體現的計算機屬性所體現的計算機屬性7 * *相互關系：相互關系： 計算機系統結構計算機系統結構確定軟硬件功能分配及其界面特性；確定軟硬件功能分配及其界面特性； 計算機組成計算機組成邏輯實現系統結構的內容；邏輯實現系統結構的內容； 計算機實現計算機實現物理實現計算機組成的內容物理實現計算機組成的內容舉例舉例系統結構系統結構計算機組成計算機組成計算機實現計算機實現乘法功能乘法功能是否有乘法指令是否有乘法指令乘法器還是加法乘法器還是加法+ +移位移位器件、電路器件、電路主存系統主存系統最大容量、編址方式最大容量、編址方式 速度保證、單體速度保證、單體/ /多體多體ME

7、MMEM總線總線帶寬帶寬信號線數、時鐘、傳輸方式信號線數、時鐘、傳輸方式81.2 1.2 計算機系統基本組成計算機系統基本組成一、一、馮馮諾依曼模型計算機諾依曼模型計算機 * *結構與組成：結構與組成： 由運算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設備組成，由運算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設備組成， 以運算器為中心以運算器為中心；輸入設備輸入設備存儲器存儲器運算器運算器控制器控制器輸出設備輸出設備注：注： 數據信息數據信息 指令信息指令信息 控制信息控制信息 狀態信息狀態信息 * *數據表示與運算：數據表示與運算： 指令及數據均用指令及數據均用二進制方式二進制方式表示，運算亦采用表示，運算亦采用二

8、進制方式二進制方式9 * *指令組成：指令組成： 由由操作碼操作碼及及地址碼地址碼組成；組成；010 010 01000 01000 1000010000 例：若加法運算的操作碼用例：若加法運算的操作碼用010010表示，第表示，第0100001000號與第號與第1000010000號兩個存儲單元內容相加的操作可表示為：號兩個存儲單元內容相加的操作可表示為：表示操作的性質表示操作的性質表示操作數在存儲器中的位置表示操作數在存儲器中的位置 * *存儲程序原理存儲程序原理程序存儲方式：程序存儲方式： 指令及數據預先存放指令及數據預先存放( (以等同地位以等同地位) )在存儲器中；在存儲器中； *

9、*存儲器結構：存儲器結構： 由由定長單元定長單元構成構成的的一維一維空間空間，存儲器，存儲器按地址按地址訪問訪問；操作碼操作碼 地址碼地址碼1 1 地址碼地址碼2 210 * *存儲程序原理存儲程序原理程序控制機制：程序控制機制： 按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執行。按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執行。循環的循環的 指令執行過程指令執行過程物理順序物理順序( (指令地址指令地址) )指令內容指令內容程序程序邏輯順序邏輯順序A+0A+0 intint nCount nCount=0=0； A+1A+1 intint nSum nSum=0=0；A+2A+2LP: nSumLP

10、: nSum+=nCount+=nCount； A+3A+3 nCountnCount+； A+4A+4if (nCountif (nCount4)nSumCOUTnSum；取指令取指令過程過程執行指令執行指令過程過程指令地址指令地址+ +“1 1”指令發生指令發生轉移時轉移時下條指令地址下條指令地址 由當前指令產生由當前指令產生11二、二、計算機硬件的基本組成計算機硬件的基本組成1 1、計算機硬件的結構、計算機硬件的結構 現代計算機均在馮現代計算機均在馮諾依曼模型基礎上進行諾依曼模型基礎上進行改進改進 * *采用采用以存儲器為中心以存儲器為中心的結構：的結構： 使數據傳送與數據處理并行，有利

11、于提高系統性能使數據傳送與數據處理并行，有利于提高系統性能存儲器存儲器輸出設備輸出設備輸入設備輸入設備結果結果程序程序數據數據控制器控制器運算器運算器直接存儲器訪直接存儲器訪問問(DMA)(DMA)技術技術緩沖器緩沖器緩沖器緩沖器緩沖技術緩沖技術812 * *由由多種存儲器多種存儲器構成存儲系統：構成存儲系統： 解決速度解決速度- -容量容量- -價格間的矛盾，有利于提高性能價格間的矛盾，有利于提高性能/ /價格價格主存主存( (內存內存) )輔存輔存( (外存外存) )計算機計算機硬件硬件運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備CPUCPU主機主機I/OI/O設備

12、設備( (外設外設) )I/O設備設備主主存存儲儲器器MM控制單元控制單元CUCPU算術邏輯單元算術邏輯單元ALU主機主機包含輔存包含輔存( (如如DISKDISK等等) )13 * *采用采用總線互連總線互連形式：形式： 實現部件操作標準化，有利于提高系統的可擴展性實現部件操作標準化，有利于提高系統的可擴展性CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口1 1MEMMEM總線總線I/OI/O設備設備1 1I/OI/O接口接口nI/OI/O設備設備n總線橋總線橋I/OI/O接口接口I/OI/O設備設備I/OI/O接口接口I/OI/O設備設備I/OI/O總線總線非標準格式非標準格式標準格式標準格式按地

13、址訪問按地址訪問min 所連所連I/OI/O設備設備速度速度 142 2、計算機部件的基本組成、計算機部件的基本組成(1)(1)存儲器存儲器 * *功能：功能：存儲存儲程序和數據、通過讀程序和數據、通過讀/ /寫操作寫操作接收接收/ /提供提供信息信息地址地址存儲陣列存儲陣列I/OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器數據數據命令命令 * *術語：術語：存儲元件存儲元件( (存儲元存儲元)可存儲一個二進制位的可存儲一個二進制位的元件元件； 存儲單元存儲單元可可同時存儲同時存儲一串二進制位的一串二進制位的元件元件； 存儲字存儲字存儲單元存儲單元內存儲的二進制編碼；內存儲的二進制編碼； 存儲陣列存儲陣

14、列所有存儲單元的集合所有存儲單元的集合 存儲單元地址存儲單元地址每個存儲單元被賦予的惟一每個存儲單元被賦予的惟一編號編號 存儲容量存儲容量存儲陣列可存儲的存儲陣列可存儲的二進制位數二進制位數0 01 1n-1-10 0 1 1 w-1-10 01 1n-1-1存儲字長存儲字長W存儲字存儲字 * *組成：組成：15 * *完成操作的過程：完成操作的過程： 讀操作讀操作接收地址及命令，內部操作；接收地址及命令，內部操作； 輸出數據輸出數據I/OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器001001ReadRead地址譯碼器地址譯碼器I/OI/O電路電路1#1#的存儲字的存儲字 寫操作寫操作接收地址及命令；

15、接收地址及命令； 接收數據，內部操作接收數據，內部操作16(2)(2)運算器運算器 * *功能：功能：實現算術實現算術運算運算及邏輯運算，并及邏輯運算，并暫存暫存運算結果運算結果 * *組成：組成：寄存器寄存器組組( (堆堆) )Func存儲器存儲器ALUALU寄存器型運算器寄存器型運算器ACACFunc存儲器存儲器ALUALU累加器型運算器累加器型運算器TEMPTEMP * *(AC)+YAC(AC)+YAC的運算過程：的運算過程： (0) (AC)(0) (AC)為被加數為被加數ACAC存儲器存儲器ALUALUTEMPTEMPACACFuncTEMPTEMP (1) (1) 加數加數YTE

16、MPYTEMP (2) (AC) (2) (AC)(TEMP)(TEMP) (3) ALU (3) ALU結果結果ACAC(X)(X)表示寄存器表示寄存器X X中內容，中內容，YY表示存儲單元表示存儲單元Y Y中內容中內容17(3)(3)控制器控制器 * *功能：功能：指揮及控制指揮及控制各部件協調地工作，以各部件協調地工作，以實現程序執行過程實現程序執行過程 * *程序執行過程：程序執行過程： 循環循環的的指令執行過程指令執行過程( (取指令及執行指令取指令及執行指令) )； 下條指令地址下條指令地址由當前指令產生由當前指令產生( (按程序邏輯順序按程序邏輯順序) )指令地址指令地址寄存器寄

17、存器PCPC存儲器存儲器指令內容指令內容寄存器寄存器IRIR指令譯碼指令譯碼器器IDID功能部件功能部件+ +“1 1”地址形地址形成部件成部件取指令取指令取指階段取指階段分析指令分析指令執行指令執行指令執行階段執行階段指令產生轉移時指令產生轉移時1018 * *控制器功能的實現方法：控制器功能的實現方法： 循環產生循環產生指令執行過程指令執行過程不同時段的不同時段的時標信號時標信號； 在不同時段產生在不同時段產生當前指令執行所需的當前指令執行所需的部件控制信號部件控制信號 * *組成：組成：指令寄存器指令寄存器IRIR程序計數器程序計數器PCPC指令譯指令譯碼器碼器IDID控制信號控制信號形

18、成部件形成部件時序時序部件部件控制器控制器19(4)(4)輸入輸入/ /輸出設備輸出設備 * *功能：功能：實現外部實現外部- -內部信息的內部信息的輸入輸入/ /輸出輸出及及格式轉換格式轉換； * *種類：種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等；鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等； * *連接：連接：通過通過I/OI/O接口接口( (又稱適配器或控制器又稱適配器或控制器) )與總線連接，與總線連接， I/OI/O接口實現信息傳送時的緩沖、中轉等功能接口實現信息傳送時的緩沖、中轉等功能主存主存系統總線系統總線主存控制器主存控制器CPUCPU用戶交互接口用戶交互接口鍵盤、鼠標等鍵盤、鼠標等磁盤

19、適配器磁盤適配器磁盤磁盤通信接口通信接口串口等串口等總線接口總線接口BIUBIU20三、計算機軟件的基本組成三、計算機軟件的基本組成1 1、計算機軟件分類、計算機軟件分類 軟件分為軟件分為系統軟件系統軟件及及應用軟件應用軟件兩大類。兩大類。語言處理程序語言處理程序數據庫管理系統數據庫管理系統服務性程序服務性程序網絡管理程序網絡管理程序操作系統操作系統科學計算科學計算信息管理信息管理自動控制自動控制人工智能人工智能虛擬現實虛擬現實實際機器實際機器軟硬件軟硬件交界面交界面系統軟件系統軟件應用軟件應用軟件虛擬機器虛擬機器應用語言環境應用語言環境高級語言環境高級語言環境匯編語言環境匯編語言環境操作系統

20、環境操作系統環境應用語言程序應用語言程序高級語言程序高級語言程序匯編語言程序匯編語言程序操作系統命令串操作系統命令串212 2、操作系統、操作系統(Operating System, OS)(Operating System, OS) OS OS是管理所有的硬件資源及軟件環境的軟件。是管理所有的硬件資源及軟件環境的軟件。 * *主要功能：主要功能： 文件管理文件管理、作業管理作業管理、進程管理進程管理、存儲管理存儲管理、設備管理設備管理 程序程序 輔存輔存 進程調度與控制進程調度與控制 程序執行請求程序執行請求 進程進程 面向軟件的硬件管理面向軟件的硬件管理 * *進程的調度與控制：進程的調度

21、與控制： 調度調度在在適當時候適當時候、按照、按照一定算法一定算法確定即將運行的進程；確定即將運行的進程； 如優先級、輪轉、先來先服務如優先級、輪轉、先來先服務 如時間片已滿、有如時間片已滿、有I/OI/O請求、進程結束請求、進程結束 控制控制調度完成時，控制上行調度完成時，控制上行/ /下行進程的下行進程的環境切換環境切換CPUCPU時間時間OSOS進程進程進程進程1 1進程進程2 2進程進程3 322四、計算機系統的工作過程四、計算機系統的工作過程指令指令類型類型指令格式指令格式操作碼操作碼OPOP地址碼地址碼ADDRADDR取數取數001001* * * * * *存數存數010010*

22、 * * * * *加法加法011011* * * * * *停機停機100100無效無效1 1、機器語言程序的形成、機器語言程序的形成 * *假設的計算機指令系統：假設的計算機指令系統：* *y=x+by=x+b的機器語言程序：的機器語言程序： 有編程和編譯兩個步驟，有編程和編譯兩個步驟， 指令與數據等同存儲指令與數據等同存儲在在MMMM中中地址地址程序中指令程序中指令注釋注釋OPOPADDRADDR0 0001 001 0010000100 ACxACx 1 1011 011 0010100101 AC(AC)AC(AC)bb2 2010 00110010 00110 y(ACy(AC)

23、)3 3101 101 * * * * * * 停機停機4 4x x原始數據原始數據x x5 5b b原始數據原始數據b b6 6y y結果數據結果數據y y指令指令類型類型指令指令( (操作操作) )功能功能取數取數 ACADDRACADDR存數存數 ADDR(AC)ADDR(AC)加法加法 AC(AC)AC(AC)ADDRADDR停機停機 程序執行結束程序執行結束232 2、計算機硬件的工作過程、計算機硬件的工作過程 思考：思考：MAR/MDRMAR/MDR對寫對寫MEMMEM操作的影響？操作的影響？CPUCPUI/OI/O設備設備AddrAddrDataDataCmdCmd控制信號控制信

24、號形成部件形成部件時序時序部件部件IDID+ +“1 1”I/OI/O接口接口ACACALUALUIRIRPCPC存儲存儲陣列陣列I/OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器系統總線系統總線MARMARMDRMDR主存儲器主存儲器與與REGaREGa、REGdREGd等無關等無關(0)(0)REGaMARREGaMAR(1)MARABus(1)MARABus、ReadCBusReadCBus(2)(2)WaitMFCWaitMFC、結束時、結束時DBusMDRDBusMDR(3)(3)MDRREGdMDRREGd1618REGaREGa、REGdREGd被占用被占用( (總線總線) ) * *MA

25、R/MDRMAR/MDR對訪存操作過程的影響：對訪存操作過程的影響：以讀以讀MEMMEM為例為例 (1)(1)REGaREGaABusABus、ReadCBusReadCBus (2) (2)WaitMFCWaitMFC、結束時、結束時DBusDBusREGdREGd24(1)(1)指令執行過程指令執行過程 有取指令、分析指令、執行指令有取指令、分析指令、執行指令3 3個步驟個步驟 * *取數指令取數指令的執行過程：的執行過程：以以ACXACX為例為例MDRMDR主存儲器主存儲器MARMARMDRMDR運算器運算器ALUALUACAC控制信控制信號形成號形成時序時序部件部件PCPCIRIRID

26、ID控制器控制器+ +“1 1”MARMARPCPC+ +“1 1”IRIRIDIDPCPCMARMARX XMDRMDRACAC * *加法指令加法指令的執行過程：的執行過程：以以AC(AC)+YAC(AC)+Y為例為例主存儲器主存儲器MARMARMDRMDR運算器運算器ALUALUACAC控制信控制信號形成號形成時序時序部件部件PCPCIRIRIDID控制器控制器+ +“1 1”PCPCIRIRIDIDMARMARMDRMDRY YALUALUACAC1725(2)(2)程序執行過程程序執行過程 * *程序執行的實現方法：程序執行的實現方法： -控制器指揮與控制控制器指揮與控制 取指取指(

27、PC)MMIR(PC)MMIR，； 分析分析(IR)IDCU(IR)IDCU； 執行執行實現指令約定操作實現指令約定操作( (指令轉移時指令轉移時) )； 循環循環若無若無中斷執行的要求中斷執行的要求，17 例例y=x+by=x+b的機器語言程序執行過程的機器語言程序執行過程: : 0000000000 001 00100001 00100 AC ACx 0000100001 011 00101011 00101 AC(AC)+ AC(AC)+b 0001000010 010 00100010 00100 y(AC y(AC) ) 0001100011 101 101 * * * * * *

28、停機停機 * *程序執行的初始條件：程序執行的初始條件： (a)(a)程序及數據程序及數據已存放在已存放在主存儲器主存儲器MMMM中；中； (b)(b)PCPC內容內容已經為已經為即將執行的程序首條指令地址即將執行的程序首條指令地址2624 ；MARMARPCPC0000000000，取指開始，取指開始；PCPC0000100001（下條地址）（下條地址）；IRIR001 00100001 00100， 取指完成取指完成；CUCU得知當前為得知當前為取數取數指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)

29、1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對對OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼 ；MARMARPCPC0000100001，取指開始，取指開始；PCPC0001000010（下條地址）（下條地址）；IRIR011 00101011 00101， 取指完成取指完成；CUCU得知當前為得知當前為加法加法指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對對OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼 ；MARMAR0010000100，執行開始，執行開始 ；ACACMDRMDRx，執行

30、完成，執行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、ReadCbusReadCbusWaitMFCWaitMFC MDRACMDRAC ；MARMAR0010100101，執行開始，執行開始 ；ACACxb， 執行完成執行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC (MDR)(MDR)(AC)AC(AC)AC27機器自動停機機器自動停機；執行停機指令完成；執行停機指令完成21212517 ；MARMARPCPC0001000010，取指開始，取指開始；PCPC00011000

31、11（下條地址）（下條地址）；IRIR010 00110010 00110， 取指完成取指完成；CUCU得知當前為得知當前為存數存數指令指令PCMARPCMAR、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對對OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼 ；MARMARPCPC0001100011，取指開始，取指開始；PCPC0010000100（下條地址）（下條地址）；IRIR100 100 * * * * * *， 取指完成取指完成；CUCU得知當前為得知當前為停機停機指令指令PCMARPCMAR、

32、MARABusMARABus、ReadCBusReadCBusWaitMFCWaitMFC，(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRIDID對對OP(IR)OP(IR)譯碼譯碼；MARMAR0011000110， 執行開始執行開始；MDRMDRACACxb，執行完成，執行完成AD(IR)MARAD(IR)MAR、MARABusMARABus、WriteCbusWriteCbusACMDRACMDR、MDRDBusMDRDBus、WaitMFCWaitMFC 283 3、程序的執行管理、程序的執行管理(1)(1)程序的執行請求方式程序的執行請求方式 * *方式方式2 2：支持多種請求方式

33、，由支持多種請求方式，由OSOS進行程序的執行管理進行程序的執行管理 * *方式方式1 1：從主存固定位置開始執行從主存固定位置開始執行 應用應用常用于常用于計算機剛啟動時計算機剛啟動時的程序執行的程序執行( (如如BIOSBIOS程序程序) ) 要求要求主存由主存由RAMRAM及及ROMROM組成組成 執行請求方式執行請求方式 用戶交互式請求，用戶交互式請求，BOOTBOOT程序請求，程序請求，OSOS的定時任務請求；的定時任務請求； 執行請求管理執行請求管理 OSOS通過通過作業管理機構作業管理機構進行作業的登錄、調度等管理進行作業的登錄、調度等管理2129(2)(2)程序的執行準備程序的

34、執行準備 ( (即作業登錄即作業登錄) )(3)(3)程序的執行管理程序的執行管理 ( (即進程管理即進程管理) ) * *進程調度：進程調度：在適當時候、按照一定算法選擇即將運行的進程在適當時候、按照一定算法選擇即將運行的進程 * *進程控制：進程控制：導入所選導入所選PCBPCB的硬件相關內容的硬件相關內容( (如程序首址如程序首址) )到到CPUCPU中中創建創建PCBPCB拷貝程序拷貝程序填充填充PCBPCBCPUCPUMEMMEMDISKDISK導入硬件相關內容導入硬件相關內容按按(PC)(PC)取并執行指令取并執行指令 * *加載程序：加載程序： -硬件資源管理所需硬件資源管理所需

35、 為進程為進程申請主存申請主存，將，將程序文件內容拷貝到主存程序文件內容拷貝到主存，并將相關，并將相關信息信息( (如程序首指令地址等如程序首指令地址等) )填到填到PCBPCB中中； * *創建進程：創建進程： -軟件環境管理所需軟件環境管理所需 建立建立進程控制塊進程控制塊PCBPCB( (含程序文件名、進程含程序文件名、進程IDID、進程狀態等、進程狀態等) )；PCBPCB * *進程執行：進程執行：CPUCPU自動自動按按PCPC值取指令并執行值取指令并執行( (為進程的指令為進程的指令) )21301.3 1.3 計算機系統的性能指標計算機系統的性能指標一、計算機系統的性能指標一、

36、計算機系統的性能指標 * *系統性能：系統性能：指在指在計算機硬件計算機硬件上運行的上運行的計算機軟件的性能計算機軟件的性能1 1、硬件性能參數、硬件性能參數 * *機器字長：機器字長：指指CPUCPU一次能處理一次能處理的二進制位數。的二進制位數。 指指ALUALU一次能處理的一次能處理的 n n位位CPUCPU指機器字長為指機器字長為n n個二進制位的個二進制位的CPUCPU； 例如，例如，Core 2 CPUCore 2 CPU為為6464位位CPUCPU 對系統性能的影響對系統性能的影響機器字長越長，數據處理性能越好；機器字長越長，數據處理性能越好； (應用數據長度機器字長時，需分次運

37、算應用數據長度機器字長時，需分次運算) ) 對其它硬件的影響對其它硬件的影響直接影響直接影響ALUALU、REGREG長度，長度， 間接影響存儲字長、數據總線位數間接影響存儲字長、數據總線位數31 * *機器主頻：機器主頻：指指CPUCPU內部內部主時鐘主時鐘脈沖的頻率，常用脈沖的頻率，常用f f 表示。表示。 主頻單位主頻單位1GHz=11GHz=110103 3MHz=1MHz=110106 6KHz=1KHz=110109 9HzHz； * *存儲容量：存儲容量：指存儲器可存儲二進制信息的總位數。指存儲器可存儲二進制信息的總位數。 主存容量主存容量容量容量S S = =存儲單元個數存儲單

38、元個數存儲字長；存儲字長； 輔存容量輔存容量容量容量S S = =存儲塊個數存儲塊個數存儲塊長度；存儲塊長度； 最大主存容量最大主存容量CPUCPU能夠訪問的主存最大容量，它決定了能夠訪問的主存最大容量，它決定了CPUCPU的地址和數據引腳數量的地址和數據引腳數量 數據線位數：數據線位數：通常通常= =機器字長或存儲字長，機器字長或存儲字長， 地址線位數：地址線位數：=log=log2 2( (最大主存容量最大主存容量/ /數據線位數數據線位數) ) 時鐘周期時鐘周期CPUCPU內部基本操作的時長，常用內部基本操作的時長，常用T TC C表示；表示； f f 與與T TC C關系關系倒數關系，

39、即倒數關系，即f f =1/=1/T TC C 容量單位容量單位1GB=11GB=12 21010MB=1MB=12 22020KB=1KB=12 23030B=8B=82 23030bitbit； 思考：思考：為何不用存儲字長或機器字長為單位？為何不用存儲字長或機器字長為單位？32 * *響應時間：響應時間：指一個任務從任務輸入到結果輸出的總時間，指一個任務從任務輸入到結果輸出的總時間， 即即 T T響應響應= =T TCPUCPU+ +T TI/OI/O等待等待，T TCPUCPU= =T T運算運算+ +T TMEMMEM+ +T TI/OI/O2 2、系統性能指標、系統性能指標 時間是

40、唯一標準，主要有時間是唯一標準，主要有響應時間響應時間和和吞吐量吞吐量兩個指標。兩個指標。 特點特點反映了反映了單任務計算機系統單任務計算機系統的的軟硬件總體性能軟硬件總體性能優化：優化：CPUCPU轉去執行其它程序轉去執行其它程序 多任務計算機系統多任務計算機系統 CPU CPU時間時間T TCPUCPU= =I IN N CPICPIT TC C= = n n為為指令系統指令系統的指令種類數，的指令種類數，CPICPIi i為為第第i i 種指令種指令所需時鐘周期數；所需時鐘周期數； I IN N 為為程序程序執行的總指令數執行的總指令數(程序包含的指令數，但有關聯程序包含的指令數，但有關

41、聯) )； I Ii i為第為第i i 種指令的執行次數，種指令的執行次數，CPICPI為為每條指令平均每條指令平均所需時鐘周期數所需時鐘周期數; ; T TC C為為時鐘周期時鐘周期，是機器主頻的倒數，是機器主頻的倒數C1CPITIniii T TCPUCPU與與程序算法、編譯程序、指令系統、程序算法、編譯程序、指令系統、CPICPIi i及及T TC C均相關均相關33 例例11某計算機主頻為某計算機主頻為2GHz2GHz，指令系統只有，指令系統只有類指令及類指令及類類指令，指令長度分別為指令，指令長度分別為1B1B及及2B2B，指令執行時間分別為，指令執行時間分別為5 5個及個及8 8個

42、時個時鐘周期。程序鐘周期。程序A A的大小為的大小為2MB2MB，其中，其中30%30%空間為空間為類指令；程序類指令；程序A A執執行時，所有指令中共有行時，所有指令中共有20%20%的指令需重復執行的指令需重復執行3030次，在這些重復次，在這些重復執行的指令中，有執行的指令中，有40%40%為為類指令。求完成程序類指令。求完成程序A A的的CPUCPU時間。時間。 解：解：程序程序A A包含的包含的類指令數類指令數=(2MB=(2MB30%)/1B=0.630%)/1B=0.62 22020條，條， 類指令數類指令數=(2MB=(2MB70%)/2B=0.770%)/2B=0.72 22

43、020條；條； 重復執行的指令數重復執行的指令數=(0.6=(0.62 22020+0.7+0.72 22020) )20%=0.2620%=0.262 22020條條; ; 執行的執行的類指令數類指令數=0.6=0.62 22020+0.26+0.262 2202060%60%2929次，次， 類指令數類指令數=0.7=0.72 22020+0.26+0.262 2202040%40%2929次次； T TCPUCPU=5.124=5.1242 220205 5T TC C+3.716+3.7162 220208 8T TC C =(25.62+29.728) =(25.62+29.728)

44、2 22020T TC C=55.348=55.3482 22020(2(210109 9) ) 29ms 29ms3134 特點特點反映了反映了多任務計算機系統多任務計算機系統的的軟硬件總體性能軟硬件總體性能 MIPS(MIPS(每秒百萬次指令每秒百萬次指令) )66Cmax610CPI10CPI1MIPS10MIPS fT主頻程序執行時間程序執行的指令條數 缺點：缺點：不能反映不能反映指令系統指令系統功能強弱功能強弱( (可用相對可用相對MIPSMIPS法法) ) 表示表示因工作量無統一定義，通常用因工作量無統一定義，通常用MIPSMIPS及及MFLOPSMFLOPS代替代替 * *吞吐量

45、：吞吐量：又稱吞吐率，指單位時間內能處理的工作量，又稱吞吐率，指單位時間內能處理的工作量， 即即 吞吐量吞吐量 = n n個任務的總工作量個任務的總工作量n n個任務的總時間個任務的總時間 MFLOPS(MFLOPS(每秒百萬次浮點運算每秒百萬次浮點運算) ) 缺點：缺點：只反映了浮點操作能力，不能反映只反映了浮點操作能力，不能反映系統系統整體性能整體性能6610CPImaxMFLOPS10MFLOPS f時鐘頻率程序執行時間數程序執行的浮點操作次 * *其他：其他：RASRAS( (可靠性可靠性/ /可用性可用性/ /可維護可維護) )，兼容性等，兼容性等3235二、性能設計二、性能設計1

46、1、馮、馮諾依曼模型計算機的性能瓶頸諾依曼模型計算機的性能瓶頸 * *CPU-MEMCPU-MEM瓶頸：瓶頸：CPUCPU與與MEMMEM的速度差距越來越大的速度差距越來越大 CPUCPU速度速度4545倍倍/3/3年，年，得益于得益于VLSIVLSI技術、器件技術；技術、器件技術； MEMMEM速度速度1212倍倍/3/3年，年，受限于容量受限于容量- -速度速度- -成本的矛盾。成本的矛盾。 解決方案解決方案需需從結構與技術方面從結構與技術方面解決兩者速度匹配問題解決兩者速度匹配問題 * *指令串行執行瓶頸：指令串行執行瓶頸：指令逐條執行導致性能受限指令逐條執行導致性能受限 解決方案解決方

47、案11快速串行處理快速串行處理，性能受器件技術的限制，改，性能受器件技術的限制，改進效果不佳；進效果不佳； 解決方案解決方案22并行處理并行處理，性能受串行程序指令間相關的限，性能受串行程序指令間相關的限制，需制，需從結構與技術方面從結構與技術方面解決指令間相關問題解決指令間相關問題362 2、性能平衡設計、性能平衡設計 重點解決重點解決CPU-MEMCPU-MEM瓶頸瓶頸，減少訪存延遲、或提高訪存效率，減少訪存延遲、或提高訪存效率 * *增設增設CacheCache：減少訪存延遲，減少訪問主存頻率；減少訪存延遲，減少訪問主存頻率； * *增加總線數據寬度：增加總線數據寬度：提高訪存效率，以減

48、少訪存次數；提高訪存效率，以減少訪存次數； * *采用多級總線：采用多級總線：主存連接在最快速總線上，減少訪存延遲主存連接在最快速總線上，減少訪存延遲3 3、CPUCPU性能設計性能設計 重點解決重點解決指令串行執行瓶頸指令串行執行瓶頸，提高并行性、或減少并行性能，提高并行性、或減少并行性能的損失的損失 * *開發并行技術：開發并行技術：操作級流水操作級流水操作級并行操作級并行指令級并行；指令級并行； ( (流水線流水線) (SSE) () (SSE) (超標量流水超標量流水) ) * *采用數據流技術：采用數據流技術：按序執行按序執行亂序執行；亂序執行； ( (程序順序程序順序) () (指

49、令就緒順序指令就緒順序) ) * *使用轉移預測技術：使用轉移預測技術：按預測方向先執行，猜錯時再回頭執行按預測方向先執行，猜錯時再回頭執行1113371.4 1.4 計算機系統發展歷程計算機系統發展歷程一、計算機硬件的發展歷史一、計算機硬件的發展歷史第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代年代年代1946194619571957 1958195819641964 1965196519711971197219721990199019911991元器件元器件電子管電子管晶體管晶體管SSISSI、MSIMSILSILSI、VLSIVLSIULSIULSI主存主存磁心磁心半導體半

50、導體輔存輔存紙帶、磁帶紙帶、磁帶磁盤磁盤光盤光盤字長字長4/84/88/16/328/16/3232/6432/64速度速度( (次次/s)/s)40,00040,000200,000200,0001,000,0001,000,000 10,000,00010,000,000 100,000,000100,000,0001 1、計算機的產生與發展、計算機的產生與發展 * *發展趨勢：發展趨勢：向大型機、微型機兩個方向發展向大型機、微型機兩個方向發展 * *研究重點：研究重點：器件技術、并行化結構器件技術、并行化結構382 2、微型計算機的產生與發展、微型計算機的產生與發展微處理器微處理器字長字

51、長主頻主頻地址線數地址線數 數據線數數據線數其他其他年代年代808080808 8實模式實模式197419748086808616164.77MHz4.77MHz20201616197819788088808816164.77MHz4.77MHz20208 81979197980286802861616 6MHz 6MHz24241616保護模式保護模式198219828038680386323212.5MHz12.5MHz32323232虛擬虛擬80868086模式、模式、虛擬存儲器虛擬存儲器、CacheCache1985198580486804863232 25MHz 25MHz32323

52、232RISCRISC、流水線流水線19891989PentiumPentium3232 66MHz 66MHz32326464超標量流水超標量流水、MMXMMX19931993Pentium ProPentium Pro3232 133MHz 133MHz36366464超級流水、超級流水、動態執行動態執行19951995Pentium Pentium 3232 200MHz 200MHz36366464DIBDIB19971997Pentium Pentium 3232 450MHz 450MHz36366464SSESSE、非阻塞、非阻塞CacheCache19991999Pentium

53、 4Pentium 43232 1.3GHz 1.3GHz36366464SSE2SSE2、總線技術、總線技術20002000Core 2 DuoCore 2 Duo3232 1.6GHz 1.6GHz雙核雙核20062006 * *微處理器發展趨勢：微處理器發展趨勢：提高復雜度提高復雜度( (增加功能增加功能) )，開發指令級，開發指令級/ /線線程級程級/ /內核級并行性，集成存儲器，發展嵌入式處理器內核級并行性，集成存儲器，發展嵌入式處理器39二、計算機軟件的發展歷史二、計算機軟件的發展歷史1 1、計算機語言的發展、計算機語言的發展 機器語言機器語言匯編語言匯編語言高級語言高級語言應用語言應用語言 * *高級語言例：高級語言例： FORTRANFORTRAN、PASCALPASCAL、C/C+C/C+、JavaJava2 2、系統軟件的發展、系統軟件的發展 * *語言處理程序：語言處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序；匯編程序、編譯程序、解釋程序； * *操作系統：操作系統：DOSDOS、UNIXUNIX、WindowsWindows； ( (多道程序、分時多道程序、分時/ /實