1、1.4計算機的軟件,一、軟件的組成與分類 計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類： 系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計算機的功能及用途。它包括以下四類： 各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等 語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等 操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序。,1.4計算機的軟件,二、軟件的發(fā)展演變 編程語言的發(fā)展 手編程序：機器語言程序，手工編譯二進(jìn)制碼 匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編 高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程

2、序 系統(tǒng)軟件的發(fā)展 操作系統(tǒng) 軟件自動生成系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)軟件 中間件技術(shù) 虛擬計算等,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,一、多級計算機系統(tǒng) 計算機不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體或智能設(shè)備，是一個復(fù)雜系統(tǒng)。 虛擬機：不同人看到計算機不同 通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進(jìn)行程序設(shè)計，如圖所示。,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,二、五級計算機層次系統(tǒng) 第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。 第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也

3、是硬件級。 第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。 第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,三、軟件與硬件邏輯等價性 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬

4、化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了 任何操作可以由軟件來實現(xiàn)也可以有硬件來實現(xiàn)（設(shè)計計算機系統(tǒng)時，應(yīng)考慮各個方面的因素： 價格 速度 可靠性 存儲容量 變更周期 實體硬件機功能的擴(kuò)大 固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）,7,四、計算機體系結(jié)構(gòu) 1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定 Amdahl于1964年在推出IBM360系列計算機時提出：程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 程序員：匯編語言、機器語言、編譯程序、操作系統(tǒng) 看到的：編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,8,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概

5、念,2、 計算機組成是指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，主要包括： 確定數(shù)據(jù)通路的寬度 確定各種操作對功能部件的共享程度 確定專用的功能部件 確定功能部件的并行度 設(shè)計緩沖和排隊策略 設(shè)計控制機構(gòu) 確定采用何種可靠性技術(shù),9,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,3、計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)，包括： 處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu) 器件的集成度和速度 專用器件的設(shè)計 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接 信號傳輸技術(shù) 電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等。,10,4、三者之間關(guān)系,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念，但隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。,1

6、.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,11,五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類按并行性,1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),一、技術(shù)指標(biāo) 機器字長：運算器一次運行二進(jìn)制位數(shù) 運算速度 描述一臺計算機的運算速度的單位應(yīng)該是每秒執(zhí)行多少條指令如MIPS(Million Instructions Per Second)每秒執(zhí)行百萬條指令. 對于帶有浮點運算的計算機系統(tǒng)，常用每秒百萬個浮點操作MFLOPS（Million Floationg-point Operations Per Second）,1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),機器容量:計算機的容量實際上是指機器內(nèi)部主存儲器的容量。 吞吐量:計算機系統(tǒng)的吞吐

7、量是指計算機在單位時間內(nèi)能處理的信息量。也就是流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率。 響應(yīng)時間:響應(yīng)時間指從給定計算機輸入到出現(xiàn)對應(yīng)的輸出之間的時間間隔。響應(yīng)時間取決于用戶輸入的信息、系統(tǒng)特性以及在用戶輸入信息時系統(tǒng)正在處理的其他負(fù)載。,CPU 執(zhí)行時間 = (CPU時鐘周期數(shù) / 程序 )X 時鐘周期 = (CPU時鐘周期數(shù) / 程序 ) 時鐘頻率 = (指令條數(shù) / 程序) X CPI X 時鐘周期 CPU時鐘周期數(shù) / 程序 = (指令條數(shù) / 程序) X CPI CPI = (CPU時鐘周期數(shù) / 程序 )(指令條數(shù) / 程序) CPI 用來衡量以下各方面的綜合結(jié)果 Instruction

8、 Set Architecture（ISA） Implementation of that architecture program,CPI：Cycles Per Instruction,1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),舉例說明 在已知指令系統(tǒng)內(nèi)部各類指令的執(zhí)行時間（Ti）情況下，對機內(nèi)運行的典型程序進(jìn)行統(tǒng)計，找出各類機器指令的使用頻度（fi）。才可計算出等效的指令執(zhí)行時間（T）。 顯然，其等效的運算速度應(yīng)為：,舉例說明,舉例說明,于是這臺機器的等效運算速度應(yīng)為： =2 *106條/ 秒=2MIPS,1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),必須緊緊以性能/價格比為核心

9、性能的衡量標(biāo)準(zhǔn) 時間、基準(zhǔn)程序、硬件測量工具 價格的因素 集成電路的工藝、產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、銷售過程 性能價格設(shè)計的一些原則,1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),Amdahl定律： 加速經(jīng)常使用的部分,求平方根和浮點乘是圖形應(yīng)用中常用的轉(zhuǎn)換，假設(shè)求平方根操作在某機器的一個基準(zhǔn)程序中占總執(zhí)行時間的20%，浮點乘操作在該程序中占總執(zhí)行時間30%，現(xiàn)通過兩種方法加速兩操作：增加專門的硬件處理求平方根，使其執(zhí)行速度為原來的10倍；通過調(diào)整流水線把浮點乘速度提高為原來的1.6倍。 問：采用兩種方法增強后此基準(zhǔn)程序加速比是多少？,1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),30%,20%,加速比= 增強前時間/增強后時間

10、=1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6) =1/0.7075 =1.41,=1/(1-0.3-0.2)+0.2/10+0.3/1.6),1.6計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),第一章小結(jié),計算機系統(tǒng)的 基本概念 構(gòu)成：硬件和軟件 層次結(jié)構(gòu) 計算機系統(tǒng)的基本工作原理 計算機的基本組成部分 五大部件 馮諾依曼型計算機特點 存儲程序,自動執(zhí)行 以運算器為中心 計算機發(fā)展特點 計算機系統(tǒng)指標(biāo) 計算機系統(tǒng)概念,第一章小結(jié),本章重點: 建立計算機系統(tǒng)整體概念 了解計算機系統(tǒng)基本概念 掌握馮諾依曼計算機模型以及計算機組成 理解計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 理解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 本章難點: 計算機自動執(zhí)行時控制器如何區(qū)

11、分指令和數(shù)據(jù) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,作業(yè),P15,4、6 舉例說明計算機系統(tǒng)運行過程,計算機學(xué)院 體系結(jié)構(gòu)中心,復(fù)習(xí)1、運算基礎(chǔ),1、進(jìn)位計數(shù)制-位置計數(shù)法 式中i數(shù)位。 m, n正整數(shù)。 R基數(shù)。 Ki第i位數(shù)碼。,計算機學(xué)院 體系結(jié)構(gòu)中心,復(fù)習(xí)1、運算基礎(chǔ),位置計數(shù)法(帶權(quán)記數(shù)法)的數(shù)制均有以下幾個主要特點： (1) 數(shù)碼個數(shù)等于基數(shù)，最大數(shù)碼比基數(shù)小1； (2) 每個數(shù)碼都要乘以基數(shù)的冪次，而該冪次是由每個數(shù)所在的位置決定的，即“位權(quán)”，簡稱權(quán)； (3) 低位向高位的進(jìn)位是“逢基數(shù)進(jìn)1”,復(fù)習(xí)1、運算基礎(chǔ),2、進(jìn)位計數(shù)制幾種典型進(jìn)制 進(jìn)位計數(shù)制 基數(shù) 位權(quán) 如：10011101B 1234

12、/1234D 572Q（O） 2F0AH 123.45=110221013100410-1510-2,計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 體系結(jié)構(gòu)中心,復(fù)習(xí)1、運算基礎(chǔ),3、二進(jìn)制 計算機內(nèi)部,采用二進(jìn)制,因為: .容易實現(xiàn) .算術(shù)四則運算規(guī)則簡單 .可進(jìn)行二值邏輯運算,4、各進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換舉例 （1）、任意進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù) 例：11001B=1241230220211100=25 325.7Q=38228158078-1 4F5.C2H=41621516151601216-1216-2 （2）、十進(jìn)制數(shù)任意進(jìn)制數(shù) 例：將十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。 2 25 余數(shù) 整數(shù) 2 12 K0=1 0.62

13、52=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對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11001.101B,復(fù)習(xí)1、運算基礎(chǔ),（3）、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換 例：1100010.1101111B=142.674Q 1100010.1101111B=62.DEH 142.674Q=001100010.110111100B 4F5.C2H=010011110101.11000010B,復(fù)習(xí)2、基本邏輯電路 邏輯函數(shù)：Y=F（A，B） （一）基本邏輯門電路（高電平表示邏輯“1”，低電平表示邏

14、輯“0”）,復(fù)習(xí)2、基本邏輯電路,（二）三態(tài)門 （三）OC門,三態(tài)門應(yīng)用,OC門應(yīng)用,觸發(fā)器,同步,異步,多路選擇開關(guān),end,練 習(xí) 1,某臺計算機只有Load/Store 指令能對存儲器進(jìn)行讀/寫操作，其它指令只對寄存器進(jìn)行操作。根據(jù)對某程序跟蹤實驗結(jié)果，已知每種指令所占的比例及CPI數(shù)如下： 指令類型 指令所占比例 CPI 算邏指令 43 1 Load指令 21 2 Store指令 12 2 轉(zhuǎn)移指令 24 2,練 習(xí),求上述情況下的平均CPI。 假設(shè)該程序由M條指令組成。算邏運算中25%的指令兩個操作數(shù)中的一個已在寄存器中，另一個必須在算邏指令執(zhí)行前用Load指令從存儲器取到寄存器。因

15、此有人建議增加另一種算邏指令，其特點是一個操作數(shù)取自寄存器，另一個操作數(shù)取自存儲器，即寄存器存儲器類型，假設(shè)這種指令的CPI等于2。同時，轉(zhuǎn)移指令的CPI變?yōu)?。求新指令系統(tǒng)的平均CPI。,答,CPI= (431212122242)=1.57 432511 指令類型 指令所占比例 CPI 新算邏指令 11 2 原算邏指令 32 1 Load指令 10 2 Store指令 12 2 轉(zhuǎn)移指令 24 3 CPInew =(112321102122242) =1.46,CPInew =(112321102122242) /89 =1.64,?,練 習(xí) 2,假設(shè)某機器獲得如下測量值： 浮點指令（包括浮點求平方根）的執(zhí)行頻度=25% 浮點指令CPI=4.0 其它指令CPI=1.33 浮點求平方根指令執(zhí)行頻度=2