微機(jī)原理

（計(jì)算機(jī)原理）

第2講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1

第2講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

。計(jì)算機(jī)的類型

分計(jì)算機(jī)的組成

?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

?計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

分計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋2

計(jì)算機(jī)的類型

A按應(yīng)用領(lǐng)域劃分

?桌面計(jì)算機(jī)

8企業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)

8嵌入式計(jì)算機(jī)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋3

計(jì)算機(jī)的類型

桌面計(jì)算機(jī)

0臺(tái)式機(jī)

R筆記本

a工作站——具有較強(qiáng)圖形、圖像與視頻處理能

力的高性能專用計(jì)算機(jī)

八設(shè)計(jì)者考慮的因素：性能價(jià)格比

。性能——良好的交互性能（例如圖形用戶界面）、

支持大量的外部設(shè)備

價(jià)格500$-10000$

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋4

計(jì)算機(jī)的類型

企業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)

1.服務(wù)器——例如局域網(wǎng)服務(wù)器和Internet服務(wù)器。有

一個(gè)或多個(gè)CPU、GB級(jí)的內(nèi)存、幾百GB級(jí)的磁盤以

及高速網(wǎng)絡(luò)處理能力。能夠同時(shí)處理幾十或上百個(gè)外

部請(qǐng)求

2.機(jī)群系統(tǒng)——由PC機(jī)或工作站通過(guò)Gbps級(jí)的網(wǎng)絡(luò)連

接而成，運(yùn)行專門的操作系統(tǒng)使所有機(jī)器協(xié)同完成計(jì)

算任務(wù)。機(jī)群系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，可以很容易

擴(kuò)展機(jī)器數(shù)量

e機(jī)群系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的區(qū)別：在用戶看來(lái)機(jī)群系統(tǒng)就

像一個(gè)普通的單機(jī)系統(tǒng)

3.大型機(jī)(mainframe)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋5

計(jì)算機(jī)的類型

企業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)

3.大型機(jī)(mainframe)

口大都是IBM360的后代，仍然在

一些大型機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行著,

有些大型主機(jī)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間已

經(jīng)超過(guò)了20年

R大型主機(jī)所具有的良好的穩(wěn)定性

和巨大的I/O處理能力是PC機(jī)望

塵莫及的——對(duì)于企業(yè)級(jí)的應(yīng)用

而言，這些特性的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

于花里胡哨的GUIIBM390

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋6

計(jì)算機(jī)的類型

企業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)----設(shè)計(jì)者考慮的因素

1.可用性——系統(tǒng)提供有效服務(wù)的能力

R可用性不同于可靠性，可靠性指系統(tǒng)不出現(xiàn)故

障的能力。任何系統(tǒng)都可能出故障，但是企業(yè)

級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要確保在部件出現(xiàn)故障的情況下

保證系統(tǒng)提供有效服務(wù)，通常通過(guò)冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)

2.可擴(kuò)展性——為滿足服務(wù)需求的增長(zhǎng)，企業(yè)

級(jí)計(jì)算機(jī)必須具有升級(jí)計(jì)算能力、內(nèi)存和磁

盤容量以及I/O帶寬的能力

3.吞吐量——單位時(shí)間內(nèi)處理的事務(wù)數(shù)量

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋7

計(jì)算機(jī)的類型

嵌入式計(jì)算機(jī)

c嵌入在其他設(shè)備中，不以計(jì)算機(jī)的形態(tài)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋8

計(jì)算機(jī)的類型

8嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

ARM微處理器市場(chǎng)細(xì)分

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋9

計(jì)算機(jī)的類型

子嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者考慮的主要因素

1.成本一嵌入式計(jì)算機(jī)的價(jià)格范圍非常廣泛，從低于

1美元的8位微處理器到幾百美元的64位高性能微處理

器。低端產(chǎn)品對(duì)于價(jià)格尤為敏感

R最小存儲(chǔ)器需求：存儲(chǔ)器是系統(tǒng)成本的一部分，通常

通過(guò)優(yōu)化縮短代碼長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)

2,功耗一對(duì)于電池供電的系統(tǒng)尤為重要

3.實(shí)時(shí)性能——指計(jì)算機(jī)在確定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)外部事

件做出恰當(dāng)反應(yīng)的能力。許多嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用于過(guò)

程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的領(lǐng)域

B硬實(shí)時(shí)：必須滿足最終時(shí)限

9軟實(shí)時(shí)：允許偶爾違反最終時(shí)限

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋10

計(jì)算機(jī)的組成

q馮?諾伊曼計(jì)算機(jī)由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋11

計(jì)算機(jī)的組成

存儲(chǔ)器

8存儲(chǔ)器是用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的、具有記憶功

能的裝置（此處的存儲(chǔ)器特指主存儲(chǔ)器）

1-為了準(zhǔn)確地對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫，通常以字節(jié)/字

為單位將存儲(chǔ)器劃分為一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)單元，并依

I次為每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)從0開(kāi)始的序號(hào)，

該序號(hào)稱為存儲(chǔ)單元的地址，存儲(chǔ)單元的地址

_也用二進(jìn)制數(shù)碼表示

。每個(gè)存儲(chǔ)單元的地址都是唯一的，每次讀寫存

儲(chǔ)器時(shí)，必須給出存儲(chǔ)單元的地址才能訪問(wèn)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋12

計(jì)算機(jī)的組成

存儲(chǔ)器

?存儲(chǔ)單元的地址和存儲(chǔ)單元

存放的內(nèi)容（指令或數(shù)據(jù)）都

是二進(jìn)制數(shù)碼，但它們是完

全不同的兩個(gè)概念

C地址總線寬度決定地址的位

數(shù)，地址的位數(shù)決定處理器

能夠訪問(wèn)的存儲(chǔ)器的最大容

量

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋13

計(jì)算機(jī)的組成

存儲(chǔ)器

Q近年來(lái)，幾乎所有的計(jì)算機(jī)都以字節(jié)(byte)為存儲(chǔ)單

元的編址單位，一個(gè)字節(jié)由8個(gè)二進(jìn)制位組成

◎字節(jié)可以組合成字(word),不同的計(jì)算機(jī)可能具有不

同的字長(zhǎng)

?字長(zhǎng)——處理器一次可以直接處理的二進(jìn)制數(shù)碼的位

數(shù)，它通常取決于處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)

據(jù)總線的寬度。字長(zhǎng)通常是字節(jié)的倍數(shù)，如8位、16

位、32位、64位

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋14

計(jì)算機(jī)的組成

存儲(chǔ)器——字節(jié)順序

?由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)按字節(jié)編址，

所以存儲(chǔ)多字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)必須指

定各個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)順序

△將最低位的字節(jié)存放到最低位

地址、最高位的字節(jié)存放到最

高位地址—小端格式(little

endian)

e將最高位的字節(jié)存放到最低位

地址、最低位的字節(jié)存放到最

高位地址-大端格式(big

endian)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋15

計(jì)算機(jī)的組成

存儲(chǔ)器——字節(jié)順序

3X86采用小端格式，SPARC采用大端格式,

ARM、MIPS支持兩種格式

'計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都采用大端字節(jié)順序

8例：32位字1A2B3c4D（16）的存儲(chǔ)格式

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字節(jié)地址0123字節(jié)地址0123

內(nèi)容1A2B3C4D內(nèi)容4D3C2B1A

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋16

計(jì)算機(jī)的組成

運(yùn)算器

?運(yùn)算器是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的裝置，通常稱為

ALU------ArithmeticLogicUnit（算術(shù)邏輯單元）

8ALU的輸入輸出接口:

A、B為ALU的兩個(gè)輸

入操作數(shù)，Y為輸出

結(jié)果

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋17

計(jì)算機(jī)的組成

數(shù)據(jù)通路(datapath)

?CPU內(nèi)部通常有一定數(shù)

量的高速存儲(chǔ)器一寄

存器，用于保存中間結(jié)

果和控制信息

?R、O~Rn.i——通用寄存器

0A、B——ALU輸入寄存

器

eY——ALU輸出寄存器

cALU、寄存器以及連接

它們的內(nèi)部總線，組成

CPU的數(shù)據(jù)通路

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋18

計(jì)算機(jī)的組成

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備

?輸入設(shè)備是用來(lái)輸入程序和原始數(shù)據(jù)的裝置，

其功能是將外界信息轉(zhuǎn)換成機(jī)內(nèi)的表示形式并

I傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部

A輸出設(shè)備用來(lái)輸出計(jì)算機(jī)處理結(jié)果的裝置，其

功能是將處理結(jié)果從計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示形式轉(zhuǎn)

換成人們所需要的形式并傳送到計(jì)算機(jī)外部

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋19

計(jì)算機(jī)的組成

控

帶

I口口

M

百

U古

警制

荒

我

目

邸

口

占

TH羲嘉機(jī)所有部件協(xié)調(diào)工作的裝

基

組

，

成

控E制中樞

的

制

本

口

古

OC—OperationController（操作控制器）

ID-InstructionDecoder（指令譯碼器）

IR—InstructionRegister（指令寄存器）

PC—ProgramCounter（程序計(jì)數(shù)器）

MAR—MemoryAddressRegister（內(nèi)存

地址寄存器）

MDR—MemoryDataRegister（內(nèi)存數(shù)

據(jù)寄存器）

V7

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋20

計(jì)算機(jī)的組成

控制器

小控制器的功能就是執(zhí)行指令，

一般而言，控制器執(zhí)行一條坨鼬

指令的過(guò)程大致分為以下幾IIOCID

個(gè)步驟：

1.從存儲(chǔ)器取一條指令到指令

寄存器中

2.修改程序計(jì)數(shù)器，使其指向

后面一條指令存

儲(chǔ)

3.對(duì)取得的指令進(jìn)行譯碼器

4.執(zhí)行指令——由操作控制器MDR

發(fā)出控制信號(hào)

5,返回第1步

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋21

計(jì)算機(jī)的組成

控制器

取指一譯碼一執(zhí)行循環(huán)，是計(jì)算機(jī)操作的核心

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋22

計(jì)算機(jī)的組成

計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

地址總線AB

輸

輸

存

出

I/O入

儲(chǔ)

設(shè)

接設(shè)

器

備

口備

數(shù)據(jù)總線DB

控制總線CB

總線—連接多個(gè)功能部件的一組公共信號(hào)線

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋23

計(jì)算機(jī)的組成

計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

0地址總線(AB)：用來(lái)傳送CPU輸出的地址信號(hào),

確定被訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元、I/O端口

分地址總線的條數(shù)決定微處理器的尋址能力

R數(shù)據(jù)總線(DB)：用來(lái)在CPU與存儲(chǔ)器、I/O接

口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定微處理器一次最多可以傳

送的數(shù)據(jù)寬度

§控制總線(CB)：用來(lái)傳送各種控制信號(hào)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋24

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

硬件與軟件

?任何完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩

部分組成

C計(jì)算機(jī)組成討論的是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要

的物理部件與設(shè)備，即計(jì)算機(jī)硬件

?軟件是指控制計(jì)算機(jī)工作所需的各種程序和

數(shù)據(jù)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋25

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

ISA—指令集體系結(jié)構(gòu)

，'ISA(lnstructionSetArchitecture)是計(jì)算機(jī)

硬件與底層軟件之間的接口，它是程序員為

使一個(gè)二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言程序正確運(yùn)行所需要

了解的屬性

計(jì)算機(jī)軟件

ISA

計(jì)算機(jī)硬件

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋26

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

機(jī)器語(yǔ)言

?計(jì)算機(jī)硬件的基本功能就是執(zhí)行指令，指令

在馮?諾伊曼計(jì)算機(jī)中由二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼

?描述完成一個(gè)確定任務(wù)的指令序列稱為程序

C計(jì)算機(jī)的全部二進(jìn)制機(jī)器指令組成了一種可

供人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流的語(yǔ)言，稱為機(jī)器語(yǔ)

、

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋27

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

I匯編語(yǔ)言

C使用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序十分困難，于是人們

發(fā)明了用助記符表示指令的方法。助記符形

■式的指令的集合組成了匯編語(yǔ)言

?匯編語(yǔ)言的助記符形式的指令必須翻譯成機(jī)

器語(yǔ)言二進(jìn)制指令才能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，實(shí)

現(xiàn)這種翻譯的程序稱為匯編器(assembler)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋28

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

movax,a

匯編語(yǔ)言movbx,b

xchgax,bx匯編語(yǔ)言源程序

mova,ax

42匯編器二＞

1O111OOOOOOOOOOOOOO1OOOO1O111O11

00000000001000001000011111000011

10100011000000000001000010001001機(jī)器語(yǔ)言程序

00011110000000000010000000000001

00001000000100001000010000111000

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋29

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

高級(jí)語(yǔ)言

分匯編語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言是一一對(duì)應(yīng)的，所以開(kāi)發(fā)

效率仍然十分低下，于是人們發(fā)明了高級(jí)程序

設(shè)計(jì)語(yǔ)言，如FORTRAN、C等等

R使高級(jí)語(yǔ)言程序在只能運(yùn)行二進(jìn)制機(jī)器指令的

計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，有兩種途徑：

?編譯

e解釋

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋30

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

編譯

?將高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序翻譯成等價(jià)的二進(jìn)制

指令序列來(lái)代替，計(jì)算機(jī)執(zhí)行等價(jià)的機(jī)器語(yǔ)

言程庠

?實(shí)現(xiàn)這種翻譯的程序稱為編譯器(compiler)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋31

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

編譯

C語(yǔ)言源程序

10111000000000000001000010111011

00000000001000001000011111000011

10100011000000000001000010001001機(jī)器語(yǔ)言程序

00011110000000000010000000000001

00001000000100001000010000111000

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋32

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

解釋

?某程序以高級(jí)語(yǔ)言程序作為輸入數(shù)據(jù)，順序

地檢查它的每一條語(yǔ)句，并直接執(zhí)行等價(jià)的

機(jī)器語(yǔ)言指令序列，這種方法稱為解釋

?用來(lái)解釋高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句的程序稱為解釋器

(interpreter)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋33

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

響應(yīng)時(shí)間與吞吐量

Q響應(yīng)時(shí)間——從提交作業(yè)到完成

作業(yè)所花費(fèi)的時(shí)間

e吞吐量——一定時(shí)間間隔內(nèi)完成

的作業(yè)數(shù)

△個(gè)人用戶更關(guān)心響應(yīng)時(shí)間，企業(yè)

級(jí)計(jì)算機(jī)的管理人員更關(guān)心吞吐

量

△對(duì)于企業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)以外的應(yīng)用，

響應(yīng)時(shí)間是評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的主

要依據(jù)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋34

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

計(jì)算機(jī)性能定義

C對(duì)計(jì)算機(jī)性能進(jìn)行比較時(shí)，最基本的標(biāo)準(zhǔn)就是時(shí)間

標(biāo)準(zhǔn)——執(zhí)行同樣的程序所需時(shí)間最短的計(jì)算機(jī)就

是最好的計(jì)算機(jī)

1

性能=----------------------

執(zhí)行時(shí)間

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋35

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

CPU執(zhí)行時(shí)間

4對(duì)于多任務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)該從響應(yīng)時(shí)間中去除因?yàn)榈却齀/O

操作而花去的時(shí)間和CPU執(zhí)行其他程序所花費(fèi)的時(shí)間,

為此引入CPU執(zhí)行時(shí)間的概念

CPU執(zhí)行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)X時(shí)鐘周期

_CPU時(shí)鐘周期數(shù)

時(shí)鐘頻率

CPU時(shí)鐘周期數(shù)=程序指令數(shù)X每條指令平均時(shí)鐘周期數(shù)

每條指令平均時(shí)鐘周期數(shù)---CPI(clockcycleper

instruction)

CPU執(zhí)行時(shí)間=指令數(shù)XCPIX時(shí)鐘周期

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋36

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

CPI

分執(zhí)行不同的指令所需的時(shí)鐘周期是不同的，簡(jiǎn)

單的指令需要較少的時(shí)鐘周期，復(fù)雜的指令需

要較多的時(shí)鐘周期

n

CPI=ZCP[xPi

i=l

?Pi——第i類指令出現(xiàn)的頻度

-CPIj——執(zhí)行第i類指令指令所需的時(shí)鐘周期

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋37

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

影響計(jì)算機(jī)性能的因素

CPU執(zhí)行時(shí)間=指令數(shù)XCPIx時(shí)鐘周期

影響因素影響

算法指令數(shù)、CPI

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)指令數(shù)、CPI

、.

編譯器指令數(shù)、CPI

ISA指令數(shù)、CPk時(shí)鐘周期

硬件實(shí)現(xiàn)CPk時(shí)鐘周期

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋38

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

提高計(jì)算機(jī)性能的途徑

CPU執(zhí)行時(shí)間=指令數(shù)XCPIX時(shí)鐘周期

R可以通過(guò)減少公式中任意一項(xiàng)來(lái)提高處理器的

性能

△但是，公式中的三項(xiàng)并不是相互獨(dú)立的，它們

之間有著復(fù)雜的聯(lián)系，減少三項(xiàng)中的任意一項(xiàng)

都有可能增加其他兩項(xiàng)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋39

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

提高計(jì)算機(jī)性能的途徑

?一些技術(shù)可以在保持其他兩項(xiàng)不變的前提下減

少其中的一項(xiàng)：

S采用優(yōu)化編譯技術(shù)，在目標(biāo)代碼中消除冗余代

碼，可以減少指令數(shù)，但是并不提高CPI和時(shí)

鐘周期

8采用快速電路技術(shù)或更為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)減少信號(hào)

傳輸延遲，可以減少時(shí)鐘周期，但是并不提高

CPI和指令數(shù)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋40

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

提高計(jì)算機(jī)性能的途徑

A一些技術(shù)可能在減少某一項(xiàng)的同時(shí)，增加另一

項(xiàng)或兩項(xiàng)的值

1C例如，指令集可以包含更多復(fù)雜的指令，使每

條指令執(zhí)行更多的動(dòng)作，可以減少指令數(shù)一＞

CISC

A雖然指令數(shù)減少，但是執(zhí)行部件的復(fù)雜性增加,

從而導(dǎo)致CPI和時(shí)鐘周期的增加

9只有在減少項(xiàng)的作用大于增加項(xiàng)的情況下，才

能獲得性能的提高

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋41

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

提高計(jì)算機(jī)性能的途徑

c減少CPI的愿望激發(fā)了許多體系結(jié)構(gòu)和微體系

結(jié)構(gòu)（即體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)）技術(shù)

S體系結(jié)構(gòu)方面：采用精簡(jiǎn)的指令集，減少每條

指令的復(fù)雜性，從而減少CPI--RISC

Q微體系結(jié)構(gòu)方面：同時(shí)重疊執(zhí)行多條指令--

流水線技術(shù)、超標(biāo)量技術(shù)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋42

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

性能測(cè)量

C公平的性能測(cè)量方法是使用一個(gè)一致的實(shí)際應(yīng)用程序

來(lái)評(píng)估性能。標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)測(cè)協(xié)會(huì)(SPEC,Standard

PerformanceEvaluationCorporation)是目前公認(rèn)

的計(jì)算機(jī)性能評(píng)估機(jī)構(gòu)

一SPEC選擇不同應(yīng)用領(lǐng)域具有代表性的應(yīng)用程序(包括

游戲、編譯器、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、天體物理計(jì)算等等)對(duì)各

種商業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行評(píng)估，并公布評(píng)估結(jié)果

一SPEC所提供的CPU基準(zhǔn)測(cè)試包大約3到5年更新一次,

目前最新的版本是CPU2006

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋43

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

性能測(cè)量

口SPECCPU2006基準(zhǔn)程序包含了兩部分：

?CINT2006,用來(lái)測(cè)量整數(shù)運(yùn)算

eCFP2006,用來(lái)測(cè)量浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算

?CPU2006以SunUltraEnterpirse2工作站作

為基準(zhǔn)參考系統(tǒng)，以此為參考，其他測(cè)試系統(tǒng)

與之相比即可得出相對(duì)性能指數(shù)。Sun的這套

系統(tǒng)使用了296MHz的UltraSPARCII處理器

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋44

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

I性能測(cè)量

在參考計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間

SPEC性能指數(shù)=--------------------------

■在被測(cè)計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間

I?如果某計(jì)算機(jī)的SPEC性能指數(shù)=20,則表明

該計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度是UltraEnterpirse2

—工作站的20倍

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋45

計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)

MIPS

QMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的縮寫,

用來(lái)表示微處理器的性能，意思是每秒鐘能執(zhí)行多少

百萬(wàn)條指令

指令數(shù)

MIPS=

執(zhí)行時(shí)間X106

?MIPS是不可靠的性能指標(biāo)：不能用MIPS指標(biāo)來(lái)比較

指令集不同的計(jì)算機(jī)，因?yàn)橥怀绦蛟谶@些機(jī)器上的

指令數(shù)是不同的

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋46

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

整數(shù)的表示一符號(hào)數(shù)的表示

$把二進(jìn)制數(shù)的最高一位定義為符號(hào)位，符號(hào)位

為。表示正數(shù)，符號(hào)位為1表示負(fù)數(shù)

Q在計(jì)算機(jī)中使用的、連同符號(hào)位一起數(shù)值化了

的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所表示的真實(shí)的數(shù)

值，稱為真值

7654320

假設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為8位

符號(hào)位數(shù)值位

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋47

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號(hào)數(shù)的表示

3對(duì)于符號(hào)數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、

反碼和補(bǔ)碼三種。數(shù)X的原碼記作［X］原，反碼

記作［X］反，補(bǔ)碼記作［X］補(bǔ)八

SBB原碼：最高位表示符號(hào)，數(shù)值位用二進(jìn)制絕對(duì)

值表示

8反碼：正數(shù)的反碼與原碼相同。將負(fù)數(shù)的原碼

符號(hào)位保持不變，其余位取反則得到機(jī)器數(shù)的

反宿表示

Q補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同。將負(fù)數(shù)的反碼

加1,則得到機(jī)器數(shù)的補(bǔ)碼表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋48

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號(hào)數(shù)的原碼表示

符號(hào)符號(hào)位

VV

真值X=+18=+OO1OO1O原碼[X]原=00010010

X=-18=-0010010[X]原=10010010

X=+0=4-0000000[X]原=00000000

X=-0=-0000000[X]原=10000000

?n位原碼表示數(shù)值的范圍是一（2〃T-1）?+（2〃T-1）,對(duì)應(yīng)的原

碼是111…1~011…1

?。的原碼有兩種形式

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋49

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號(hào)數(shù)的反碼表示

符號(hào)符號(hào)位

I

真值x=+18=+0010010反碼[X]反=00010010

X=-18=-0010010[X]反=11101101

X=+0=4-0000000[X]反=00000000

X=-0=-0000000[X]反=11111111

n位反碼表示數(shù)值的范圍是-（2〃T-1）?+（2，T-1）,對(duì)應(yīng)的反

碼是111…1~011…1

C0的反碼有兩種形式

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋50

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號(hào)數(shù)的補(bǔ)碼表示

符號(hào)符號(hào)位

真值x=+18=+0010010補(bǔ)碼[X]補(bǔ)=00010010

X=-18=-0010010[X]補(bǔ)=11101110

X=+0=4-0000000[X]補(bǔ)=00000000

X=-0=-0000000[X]補(bǔ)=00000000

en位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是-?+(2〃T—1),對(duì)應(yīng)的

補(bǔ)碼是100…0~011…1

C0的補(bǔ)碼只有一種形式

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋51

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼的表數(shù)范圍

十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制

（字長(zhǎng)二8）（字長(zhǎng)二16）

+127011111117F+327677FFF

+126011111107E+327667FFE

???????????????

+20000001002+20002

+10000000101+10001

0000000000000000

-111111111FF-1FFFF

-211111110FE-2FFFE

???????????????

-1261000001082-327668002

-1271000000181-327678001

-1281000000080-327688000

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋52

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼加減法的運(yùn)算規(guī)則

［X土Y］補(bǔ)=［X］補(bǔ)+［土Y］補(bǔ)

其中X,Y為正負(fù)數(shù)均可，符號(hào)位參與運(yùn)算

模(module)就是一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以

進(jìn)位計(jì)數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的幕。凡是用器件進(jìn)行

的運(yùn)算都是有模運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果超過(guò)模的部分被運(yùn)算器自動(dòng)

丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時(shí)，X=2n+X(mod2n)

nn

不難驗(yàn)證，［X］#=2+X(mod2)

因此，

［X土丫］補(bǔ)=2n+(X±Y)(mod2n)

=(2n+X)+(2n±Y)

=［X］補(bǔ)+［土Y］補(bǔ)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋53

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼加減法的運(yùn)算規(guī)則

c設(shè)計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)為8位，X=42,Y=-91,以28

為模，用補(bǔ)碼運(yùn)算求X+Y和X?Y

【解】

[X]補(bǔ)=00101010,[Y]補(bǔ)=10100101,[-Y]#=01011011

[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

=00101010+10100101=11001111(-49)結(jié)果正確

[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[?Y]補(bǔ)

=00101010+01011011=10000101(-123)結(jié)果錯(cuò)誤

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋54

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

A采用補(bǔ)碼，可以將減法用加法實(shí)現(xiàn)，省去減法器，簡(jiǎn)

化硬件

R先對(duì)減數(shù)進(jìn)行求補(bǔ)運(yùn)算（求反加1,也是加法）

Q再將求補(bǔ)后的數(shù)與被減數(shù)相加

9相加的結(jié)果即為用補(bǔ)碼表示的兩數(shù)相減結(jié)果

計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

01000100B

10100101BA01011010

+1

01011011

+01000100

10011111

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋55

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

無(wú)符號(hào)數(shù)的表示

?無(wú)符號(hào)數(shù)的最高位不是符號(hào)位而是數(shù)值的一部

分

機(jī)器運(yùn)算表示符號(hào)數(shù)表示無(wú)符號(hào)數(shù)

10111001[-71]補(bǔ)185

4)00101011+)[43]補(bǔ)+)43

11100100[-28]補(bǔ)228

無(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)的加減運(yùn)算可以用同一電路完成

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋56

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

?進(jìn)位：

三在加法過(guò)程中，符號(hào)位向更高位產(chǎn)生進(jìn)位

二在減法過(guò)程中，符號(hào)位向更高位產(chǎn)生借位

10110101

+10001111

進(jìn)位1111111

01000100

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋57

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

?溢出—運(yùn)算結(jié)果超出范圍

?如果

e符號(hào)位相同的兩數(shù)相加，所得結(jié)果的符號(hào)位與之相反，

結(jié)果溢出

Q符號(hào)位相異的兩數(shù)相減，所得結(jié)果的符號(hào)位與減數(shù)相同,

結(jié)果溢出

?其他情況，不會(huì)產(chǎn)生溢出

10110101

+10001111

101000100

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋58

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

?有符號(hào)數(shù)運(yùn)算，出現(xiàn)溢出表示結(jié)果為錯(cuò)誤的

A無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算，出現(xiàn)進(jìn)位表示結(jié)果為錯(cuò)誤的

10110101(181/-75)01000010(66/66)

+10001111(143/-113)+01100011(99/99)

101000100(68/68)10100101(165/-91)

溢出且進(jìn)位，有符號(hào)數(shù)、無(wú)符溢出無(wú)進(jìn)位，有符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果

號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果均錯(cuò)誤錯(cuò)誤，無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果正確

01000010(66/66)

+11001101(205/-51)

100001111(15/15)

進(jìn)位無(wú)溢出，無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果

錯(cuò)誤，有符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果正確

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋59

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

浮點(diǎn)數(shù)的表示

A任意一個(gè)二進(jìn)制實(shí)數(shù)X都可以表示成如下一般

格式:

±sX2±j

tttt

尾尾階階

符數(shù)符碼

10.01011101X2+5的階碼為+5,表示把尾數(shù)的小數(shù)

點(diǎn)向右移動(dòng)5位就是小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置

規(guī)格化處理：整數(shù)部分必須是1

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋60

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

AIEEE754標(biāo)準(zhǔn).—二進(jìn)制浮點(diǎn)運(yùn)算標(biāo)準(zhǔn)(A

Standardfor1BinaryFloatingPointArithmetic)

313023220

符號(hào)位階碼有效數(shù)字單精度數(shù)

A

636252510

符號(hào)位階碼有效數(shù)字雙精度數(shù)

797864630

符號(hào)位階碼有效數(shù)字

—zr擴(kuò)展精度數(shù)

e將階碼以一種偏置形式存放，即將真階碼加上一個(gè)常數(shù)

偏置值才是格式階碼，以保證偏置后的格式階碼恒為正

e單精度的階碼偏置值為+127,雙精度的階碼偏置值為

+1023,擴(kuò)展精度的階碼偏置值為+16383

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋61

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號(hào)偏置階碼有效數(shù)字

+00011...111A00...00

011...101A11...11

正數(shù)

000...011A00...00

+0000...000A00...00

-0100...000A00...00

100...011A00...00

負(fù)數(shù)

111...101A11...11

-00111...111A00...00

單精度數(shù)的范圍：±3.40x1()38精度：1.18x10-38

雙精度數(shù)的范圍：±1.80x1()308精度：2.23x10-308

擴(kuò)展精度數(shù)的范圍：±1.19x1()4932精度：3.36x10-4932

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋62

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

例.寫出178.125以單精度浮點(diǎn)數(shù)形式存放的機(jī)器數(shù)

解：178.125(D)=10110010.001(B)

表示成規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)為1.0110010001x27

..23位有效數(shù)字字段為01100100010000000000000

真階碼為111

偏置階碼為1111111+111=10000110

符號(hào)位為0

/.178.125的單精度浮點(diǎn)機(jī)器數(shù)為

01000011001100100010000000000000

表示成十六進(jìn)制為43322000(H)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋63

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

十進(jìn)制數(shù)的表示——8421BCD碼

8壓縮BCD碼：每一位用4位二進(jìn)制表示，

0000?1001表示。?9,一個(gè)字節(jié)表示兩位十進(jìn)

制數(shù)

8非壓縮BCD碼：用一個(gè)字節(jié)表示一位十進(jìn)制數(shù),

高4位總是0000,低4位的0000?1001表示0?9

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋64

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

9計(jì)算機(jī)中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據(jù)以外，還可以

處理文字、語(yǔ)音、圖像等各種信息，這些信息

統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)

C非數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中也必須以二進(jìn)制形式表

示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示本質(zhì)上是編碼的過(guò)程

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋65

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

?ASCH碼——美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼

ASCII字符表

X000001010Oil100101110111

0000NULDLESP0@Pp

0001SOHDC1!1AQaq

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENGNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

t

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYjy

1010LFSUB*JZjz

1011VTESC+K[k(

1100FFFS<L\11

1101CRGS-=M1m)

1110SORS?>NTn?

1111SIUS/9O一0DEL

注：H表示高3位，L表示低4位。

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2010年秋66

計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示

ASCH碼

?采用7位二進(jìn)制代碼對(duì)字符進(jìn)行編碼

0數(shù)字。?9的編碼是0110000?0111001,它們的高3位均是011,后

4位正好與其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼(BCD碼)相符

R英文字母A?Z的ASCH碼從10