目录

第一章 计算机系统概述

1.1计算机系统概述

计算机的功能和特点

计算机发展简史

界面

计算机系统层次

一个典型系统的硬件组成

一个典型的程序转换过程

1.2 计算机性能评价

计算机性能的基本评价指标

计算机性能的测量

CPU执行时间的计算

Aspects of CPU Performance

如何计算CPI

MIPS

选择性能评价程序

如何给出综合评价结果

第一章 计算机系统概述

1.1计算机系统概述

计算机的功能和特点

• 什么是计算机

  • 计算机是一种能对数字化信息进行自动、高速算术和逻辑运算的通用处理装置

• 计算机的功能

  • 数据运算’

  • 数据存储

  • 数据传送

  • 控制

• 计算机的特点

  • 高速 高速元件和“存储程序”工作方式带来高速性

  • 通用 体现在处理对象和应用领域方面的广泛性

  • 准确 足够精度的算术运算带来准确性

  • 智能 逻辑推理能力带来智能性

计算机发展简史

• 第一代 ： 真空管（电子管）1946--57

  • 46 年 第一台电子计算机 ENIAC

  • 冯诺依曼计算机（存储程序思想）

    • 将事先编好的程序和原始数据送入主存中，然后启动执行。计算机能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。

冯诺依曼结构的主要思想

• 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成

• 各基本部件的功能是：

  • 存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令

  • 控制器应能自动执行指令

  • 运算器应能进行加减乘除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算

  • 操作人员可以通过 输入设备 输出设备和主机进行通信

• 内部以二进制指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。(告诉程序在哪）由一串指令组成程序

• 采用存储程序方式---在程序执行的过程中它能自动的取出一条一条的指令去执行

  ---

• 第二代：晶体管 1958-64

  • 元器件：逻辑元件晶体管，内存磁芯，外存磁带磁鼓

  • 特点：变址，浮点运算。多路存储器，I/O处理机，中央交换结构（非总线结构）

  • 软件：使用高级语言，提供了系统软件

• 第三代：SSI/MSI 1965-71

  • 元器件 逻辑元件与主存储器均由集成电路（IC）实现

  • 特点：微程序控制，Cache。虚拟存储器，流水线

  • 代表机种

    • 巨型机：Cray-1

    • 大型机：IBM360系列

      • 兼容机：相同相似的指令集，OS，更高速度，更多端口，更大内存，更高价格

      • 前面开发的软件可以在后面的机器使用，低端机指令集是高端机指令集的子集，

    • 小型机：DEC 公司：PDP-8 （价格低，小巧）

      • 特点首次采用总线结构

      • 具有高度的灵活性，允许将模块插入总线以形成各种配置。

      • PDP-8 /E 计算机系统框图

        • 总线结构的好处： 可扩充性好（允许将新的符合标准的模块插入总线形成各种配置）、节省器件，体积小，价格便宜

• 第四代：LSI/VLSI/ULSI 1972至今：

  • 微处理器和半导体存储器技术发展迅猛，微型计算机出现。使计算机以办公设备和个人电脑的方式走向普通用户。

    • 半导器

      • 相对大容量半导体存储器

    • 微处理器

      • 微处理器芯片密度不断增加，使CPU中所有的元件放在一块芯片上成为可能

  • 特点：共享存储器，分布式存储器以及大规模并行处理系统

界面

软硬件的界面：ISA　（指令集体系结构）

机器语言由指令代码构成，能被硬件直接执行。

Software

• 系统软件 -简化编程过程，并使硬件资源被有效利用

  • OS：硬件资源管理　用户接口

  • 语言处理系统：翻译程序＋LINKer　DEbug　ETC

    • 其他

      • 磁盘碎片整理程序

      • 备份程序

• 应用软件－解决具体应用问题／完成具体应用任务

  • 各类媒体处理程序

  • ......

计算机系统层次

一个典型系统的硬件组成

核心部件CPU 指令先放在存储器里面，存储器里最初同步输入输出设备送进的，这些主要的设备通过总线进行关联的

一个典型的程序转换过程

计算机不可以直接识别hello.c 以上的这些还都是文本文件 01序列最终执行

1.2 计算机性能评价

计算机性能的基本评价指标

不同应用场景用户关心的性能不同

• 计算机有两种不同的性能

  • Time to do the task

    • 响应时间

    • 执行时间

    • 等待时间或时延

  • Task per day,hour,sec,ns

    • 吞吐率

    • 带宽

• 基本的性能指标： CPU的执行时间

  程序由指令构成 CPU执行时间就是执行程序中每条指令的时间

计算机性能的测量

• 比较计算机的性能，用执行时间来衡量

CPU时间：指CPU真正花在程序执行上的时间。又包括两部分：

其他时间：指等待I/O操作完成或CPU花在其他用户程序的时间

• 系统性能和CPU性能不等价，有一定的区别

  • 系统性能：系统响应时间，与CPU外的其他部分也都有关系

  • CPU性能：用户CPU时间

时钟周期：计算机执行一条指令的过程被分成若干步骤和相应的动作来完成，每一步动作都要由相应的控制信号进行控制，这些控制信号能发出、作用时间多长，都要由相应的定时信号进行同步。

时钟频率：CPU主频，CPU中的主脉冲信号的时钟频率，是CPU时钟周期的倒数。

CPI：执行一条指令所需的时钟周期数。（对于指令来说是确定的，对机器来说是平均值）

CPU执行时间的计算

CPI Cycle Per Instruction

Aspects of CPU Performance

如何计算CPI

MIPS

选择性能评价程序

如何给出综合评价结果