第一章、计算机系统概述 吴 非 2012-09

本章主要内容 计算机发展简史 计算机系统的组成及各部分的功能 计算机的性能指标和性能评价 计算机系统的层次结构

计算机发展简史 17世纪之前，中国人的智慧之光 16世纪-17世纪初期，西方人的灵感 17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索 17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索 机械式计算机 19世纪后期 机械到电的飞跃 机电式计算机 20世纪 电子文明的曙光 电子计算机

17世纪以前 中国人的智慧之光

最古老的计算工具 算筹春秋时期出现。纵式和横式表示自然数，可进行加减乘除、开方及其它的代数计算。 一纵十横，百立千僵 ，“运筹帷幄” 负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。这种运算工具和运算方法，在当时世界上是独一无二的。 祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到小数点后7位

最古老的计算器 算盘被誉作中国“第五大发明”， 陕西歧山西周宫室遗址中出土了90粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色70粒，将算盘的发明时间提前到二千多年前的西周时期。 “价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养”

16世纪-17世纪初期 西方人的灵感

1621年冈特计算尺 在发明计算机之前，计算尺是科学研究、工程设计和生产实践中使用最广泛、应用最便捷、最有价值的计算工具。 在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺为人类进步、世界文明作出了无法估量的伟大贡献。

达芬奇机械式计算机 1500年达芬奇手稿关于机械式计算工具的描述 后人根据达芬奇手稿仿制的机械式计算机

17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索 机械式计算机

1642年PASCAL(1623)加法机 法国数学家、物理学家和思想家 人类史上第一台机械式计算机，其原理对后续计算机产生了持久的影响。 采用齿轮传动设备完成运算。 pascal从加法机的成功中得出结论：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以用机械模拟人的思维。 1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级语言向其表示敬意

Pascal 机械加法机1642 6 5 4 3 2 1 9 8 7 +7 8 6 +5 4 3 2 1 9 史上第一台机械计算机 9 8 7 +7 8 6 +5 4 3 2 1 9 史上第一台机械计算机 十进制运算 齿轮旋转完成加法 齿轮传动完成进位 法国物理学家，数学家pascal为减少从事税务工作的父亲的计算量发明了机械加法机， 第一台计算机，10进制，我们看看他的结构，8个拨号盘，可完成两个8位数据的运算，其运算原理类似我们的钟表结构，见左侧图，这个图就是圆盘的基本示意图。 基本结构是个有10个刻度的圆盘，小圆圈部分是结果显示窗口，运算时先清零，比如要加5，将铁钳插入圆孔，顺时针拨号直到红色挡片这里，就可输入第一个数，继续顺时针输入第二个就可以完成第二个数的加法，在这个过程中会产生进位，进位利用传动齿轮传动到高位，类似于钟表结构，减法正好相反，但刻度不一样。 其利用。。。。。

1673年G.Leibnitz乘法机器 1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机， 步进轮可利用多次加法完成乘法 可以运行完整四则运算。 莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。

1805 Jacquard 编程序？？？

程序控制思想的萌芽 如何将人的思想传送给机器，让机器按人的意志自动执行。 1725年，法国纺织机械师B.Bouchon发明利用穿孔纸带控制印花的方法 1805 J.Jacquard 发明采用穿孔卡片的自动提花机 编程序＝编织花布

1805 Jacquard

1821年Babbage差分机 1821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专门用于航海和天文计算。可处理3个5位数，计算精度达到6位小数。 “差分”是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。 20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。

Difference Engine 三个具有现代意义的装置 最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。 保存数据的寄存器（齿轮式装置）； 从寄存器取出数据进行运算的装置， 机器的乘法以累次加法来实现； 控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置； 最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。

The first programmer Ada Augusta 讨论预言了通用计算机的作用，控制卡、数据卡、操作卡 提出了存储位置或地址的想法 “循环”(looping)的概念 三角函数和级数相乘程序、贝努利函数程序

Analytical Engine

Analytical Engine

Analytical Engine

1940 Mechanical analog machines designed by Lord Kelvin

19世纪后期 机械到电的飞跃 机电式计算机

赫尔曼·霍勒斯制表机 赫尔曼·霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形 1888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。

Punched tape/card Punched cards accelerated the development of twentieth century commerce and industry.

Punched card The capacity was 2000 cards, or in modern parlance 20KBytes. It weighed 6.6Kg.

Punched card Process

赫尔曼·霍勒斯制表机 1890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。1900年美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了1年零7个月时间。 霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入CTR（计算制表记录）公司 1924年IBM成立

1904年弗莱明发明真空电子二极管 1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。 电子管的诞生，是人类电子文明的起点。

1906年弗雷斯特发明真空电子三极管 1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管。 在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增。 这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。

现代真空电子管

1938年朱斯的Z系列计算机 1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1计算机 第一台采用二进制和真空电子管的计算机。 朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、Z-3和Z-4。Z-3使用了2600个继电器，在1944年美军对柏林进行的空袭中被炸毁。

1943年英国“巨人”计算机Colossus 1943年英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军Enigma密码。 第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。 二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平均每小时破译11份德军情报

艾肯的MARK—I 1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持下，研制成功机电式计算机MARK-I。 世界上最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。 MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米，高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800公里电线，每分钟进行200次运算。

阿塔纳索夫ABC计算机 1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。其设计方案启发了ENIAC开发小组的莫克利，并直接影响到ENIAC的诞生。 1972年美国法院判决ENIAC的专利权无效，阿塔纳索夫拥有作为第一个电子计算机方案提出者的优先权。 阿塔纳索夫三原则； 采用二进制进行运算； 采用电子技术来实现控制和运算； 采用把计算功能和存储功能相分离的结构。

电子计算机的诞生

世界上第一台电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。 18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，占地150平方米，运算速度5000次/秒左右。 尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。宣告人类进入电子计算机时代。 担任开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。

ENIAC

ENIAC

Vacuum tube in ENIAC

Input Pannel (42)

Cable

Programing

Debug(线路检查)

ENIAC & Von Neumann

ENIAC的问题 十进制计算机 通过开关和插拔电缆进行手动编程 能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？？ 每一位数由一圈共10个真空管表示 输入程序和数据可能需要半天时间 能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？？ EVDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

现代电子计算机之父 1944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想： 采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。

现代计算机理论基础 布尔代数 计算机三原则 图林机 维纳现代计算机五大原则 计算机开关电路 冯诺依曼计算机原理

布尔代数 1847和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要著作《逻辑的数学分析》和《思维规律的研究》，创立了逻辑代数。 逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。

图林机 1936年，24岁的英国数学家图林发表著名论文《论可计算数及其在密码问题的应用》，提出了“理想计算机”，后人称之为“图林机”。图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。 现代通用数字计算机的数学模型。 图林发表于1940年的另一篇著名论文《计算机能思考吗？》，对计算机的人工智能进行了探索，并设计了著名的“图林测验”。1954年图林英年早逝，年仅42岁。

Turing Machine, 1936 An abstract model of a computing machine - a finite state machine - a read/write head - an infinite scannable tape of symbols (e.g., 0s and 1s) Any conceivable algorithm can be reduced to a Turing machine A universal machine: can emulate any conceivable computing mechanism

1940年维纳现代计算机五原则 1940年美国科学家维纳阐述了对现代计算机的五点设计原则 数字式而不是模拟式； 以电子元件构成并尽量减少机械装置； 采用二进制而不是十进制； 内部存放计算表； 内部存储数据。 维纳在1948年完成了著作《控制论》，这不仅使维纳成为控制论的创始人，而且对计算机后来的发展和人工智能的研究产生了深刻的影响。

计算机开关电路 1938年，信息论的创始人、美国科学家香农发表论文《继电器和开关电路的符号分析》 首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。

1946-1959 第一代电子管计算机时代 UNIVAC 埃克特和莫克利 EDVAC 冯诺依曼 IBM 701 1946-1959 第一代电子管计算机时代 UNIVAC 埃克特和莫克利 第一个进行批量生产的计算机。 1951年，电脑开始走出实验室服务于社会与公众。1952年，UNIVAC因准确地预测美国总统大选结果而名声大噪。 EDVAC 冯诺依曼 1950问世的第一台并行计算机EDVAC，首次实现了冯·诺依曼的两个重要设想：存储程序和采用二进制。 IBM 701 1952年IBM公司推出的IBM 701在商战中击败UNIVAC，不仅使IBM实现了全面的转型，更奠定了IBM产业霸主地位

存储器的出现 1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。

比尔·盖茨曾说过 如果在80年代那位“眼光远大的工程师”没有贻误战机的话，今天可能就没有什么微软公司了。“我可能就在某个地方成了一位数学家，或一位律师，而我少年时代在个人计算机方面的迷恋 只会成为我个人的某种遥远的回忆。”

高级语言的出现 1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一个高级程序语言FORTRAN，它被广泛用于科学计算。

1959-1964晶体管造就第二代计算机 1947年，贝尔实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明点触型晶体管；1950年又发明了面结型晶体管。 晶体管体积小、重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路结构大大改观，运算速度大幅提高。 肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。

1955年，在美国原子能委员会的支持下，IBM和生产UNIVAC的兰德公司分别开始实施 Stretch计划和LARC计划，希望设计更快速的计算机。 美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。 IBM公司于1958年制成的1401及后续的1410/1440系列计算机，是第二代计算机中的代表。

计算机商务处理的开始 第二代计算机除了大量用于科学计算，还逐渐被工商企业用来进行商务处理，高级语言FORTRAN和COBOL因此也得到了广泛应用。

1964-1970 第三代计算机 1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。 集成电路的出现使得计算机脱胎换骨

世纪豪赌 IBM S/360 S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有360度”全方位的特点，因此得名。

1970至今 第四代计算机 从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。 1970至今 第四代计算机 从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。 随着技术的进展，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、中型机、小型机和微型机、单片机

霍夫和Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统其包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器。

Intel 4004 包含2300个晶体管，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。

Intel 8008 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。8008采用的是P沟道MOS微处理器，属第一代微处理器。

8080 第二代微处理器 1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。

Intel 8086 第三代微处理器 1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。 它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。

Z80微处理器 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。

第一台微型计算机：Altair 8800 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 Altair定位在青年电脑迷市场 Paul Allen和Bill Gates在三周内为Altair开发出BASIC语言，MITS成为两个未来富翁的第一个客户

Apple 1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机Apple I，愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。 Apple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时，使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。

1981-PC元年 1980年7月，“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，次年8月12日，IBM公司宣布IBM PC诞生。 IBM将其命名为Personal Computer CPU为主频4.77MHz的Intel 8088 OS：Microsoft MS-DOS

计算机的发展日新月异 从CPU的发展来看 从计算机的规模，运算速度上看， 4004－>8008->8086->8088->80186->80286->80386->80486-586->pentium->PII->PIII->P4 从计算机的规模，运算速度上看， 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机

计算机的发展日新月异

History of Intel® CPU 􀂆1978 8086/8088 5-10 MHz 􀂆1982 80286 6-12 MHz 􀂆1985 Intel386™ 16-33 MHz 􀂆1989 Intel486™DX 25-50 MHz 􀂆1993 Pentium® 60-233 MHz 􀂆1997 Pentium® II 233-450 MHz 􀂆1999 Pentium® III 450M-1G Hz 􀂆2000 Pentium® 4 1.4-3.2 GHz

第一代计算机 1946开始的电子管计算机时代 运算速度一般为每秒几千次到几万次，体积庞大，功耗大，价格昂贵，成本很高，可靠性较低。 存储器 ：水银延迟线 辅助存储器：磁鼓、纸带、卡片 使用机器语言/汇编语言，应用领域集中在科学计算 第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础

第二代计算机 1958开始的晶体管计算机时代 运算速度提高到每秒几万次到几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低，功耗降低。 主存储器：磁芯 辅助存储器：磁盘、磁带 在软件上出现了算法语言和操作系统应用领域从科学计算扩展到了数据处理。FORTRAN、ALGOL-60、COBOL

第三代计算机 1965开始的集成电路计算机时代 运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，功耗显著降低。 主存储器：半导体 在此期间，形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，“小型计算机”开始出现。 软件技术与计算机外围设备发展迅速。

第四代计算机 1971年开始,大规模/超大规模集成电路计算机时代 运算速度提高到每秒几百万次到几千万次，MIPS->GIPS->TIPS,可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低。 在此期间，“微型计算机”开始出现。 多机处理/网络化成为第四代计算机的一个重要特征

计算机发展的趋势 速度越来越快 体积越来越小 成本越来越低 功耗越来越低

计算机发展的6个规律 Moore定律： Bell定律： Gilder定律： Metcalfe定律 半导体存储器发展规律： 微处理器内晶体管数每十八个月翻一番； Bell定律： 如保持计算能力不变，微处理器价格，每十八个月减少一半； Gilder定律： 未来25年（1996年预言），主干网带宽每6个月增加一倍； Metcalfe定律 网络价值同网络用户数的平方成正比。 半导体存储器发展规律： DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍 硬盘存储技术发展规律： 硬盘的密度每年增加约一倍

新摩尔定理 由于国际互联网及电子商务的超高速的发展，从现在起，每18个月,新增的存储量等于有史以来存储量之和! ———1998年图灵奖获得者Jim Gray

Moore’s Law

近100年技术的变革 机械计算机, 19世纪 机电计算机, 20世纪早期 电子计算机, 20世纪中期开始至今 齿轮, 链条, 滑轮, 蒸汽机 穿孔卡片 机电计算机, 20世纪早期 开关,继电器 水银延迟线 电子计算机, 20世纪中期开始至今 线路连接板, 真空管, CRT,晶体管 DRAM, 磁存储

我国计算机技术的发展 “天河一号”千万亿次超级计算机系统 1953年开始，1958年研究出第一台计算机103型通用计算机。 50年来相继研究出了第二代，第三代计算机。 80年代研究出了每秒１亿次的巨型机，银河I,II,其他如曙光天演(清华BBS,学校高性能计算中心)。1985年6月，中国第一台自行研制的微机长城0520研制成功，其广告词是：“一台我们自己制造的能够处理中文的电脑”。 在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部件CPU技术还远远落后。 “天河一号”千万亿次超级计算机系统 中科院研究开发的龙芯／GODSON

我国计算机技术的发展 天河一号

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What is a computer ? Components: Rapidly changing field: input (mouse, keyboard) output (display, printer) memory (disk drives, DRAM, SRAM, CD) Network Rapidly changing field: vacuum tube -> transistor -> IC -> VLSI doubling every 1.5 years: memory capacity processor speed

What is a Computer? Application Programs OS Utilities User’s View Application Programs OS Utilities Hardware Peripherals Programmer’s View HLL (e.g. C, C++, Pascal) Machine independent Assembly Language Instructions Memory Registers Architect’s View Data path Registers, ALU, etc. Control Unit Externals Memory System I/O System Logic Designer’s View 3 2 I R  .  1 D e c o d r B u s 5 4 =   < C O N i n Q

计算机硬件系统的组成 运算器完成算术运算，逻辑运算 控制器控制指令的执行序列，根据指令的功能给出实现指令功能所需的控制信号 BUS HOST 运算器完成算术运算，逻辑运算 控制器控制指令的执行序列，根据指令的功能给出实现指令功能所需的控制信号 主存储器存放程序及数据 输入设备 输出设备 CPU 运算器 控制器 存储器 外围设备 输入设备 输出设备

冯诺依曼计算机计算机系统的组成及各部分的功能 基本思想：存储程序和程序控制 关注: 原理与结构之间的对应关系

Von Neumann

轻松一哈

1)硬件结构及各部分的功能 (1)运算器 算术/逻辑运算、比较、转移和测试等功能 根据运算的结果设置条件状态寄存器 条件状态寄存器

(2)控制器 指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。

(3)主存储器(Memory) •保存程序、数据和中间结果的场所 •常用的单位和之间的换算关系 位—bit •基于地址访问 •常用的单位和之间的换算关系 位—bit 字节---Byte 1Byte=8bit KB 1KB=1024B (需要10位地址线) MB 1MB=1024KB （需要20位地址线） GB 1GB=1024MB （需要30位地址线） TB 1TB=1024GB （需要40位地址线） ⑦PB 1PB=1024TB (需要50位地址线)

(4)输入和输出设备 •提供人---机接口 •常用的 输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪、磁盘机、磁带机等 •常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪、磁盘机、磁带机等

(5)系统总线: 计算机内各大部件之间的连接部件

 冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构 冯诺依曼体系结构计算机:Intel 80X86、 ARM7、 MIPS等。 哈佛结构计算机：Motorola MC68、 Zilog Z8、 ARM9、ARM10、ARM11等。 现代计算机多是Cache采用哈佛结构，主存采用冯诺依曼结构。 未来的计算机体系结构

Future of Computers End of Moore’s law Non-von Neumann architectures VLSI technology predicted not to scale pass 2015 Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in electrons!! BTW, this doesn’t mean VLSI is finished, just no more scaling many previously-unimportant problems will start to creep in between now and then, e.g., complexity, wire delay, power and reliability Non-von Neumann architectures parallel and distributed processing reconfigurable hardware computing Non-silicon technologies nanotechnologies: carbon nanotubes, molecular switches biological/cellular computers: DNA, proteins and enzymes quantum computers: magnetic resonance and quantum dots.

2)软件的分类 (1)应用软件：为解决某些具体的问题而编制的各种程序 (2)系统软件：为简化程序设计，方便计算机的使用、提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途 而编制的各种程序。 • 各种服务程序：诊断、排错程序 • 语言处理程序：汇编、C、编译等 • 操作系统OS • DBMS

软件新定义 可运行的思想和内容的数字化 思想：算法、规律、办法------程序表达 内容：图形、图像、数据、声音、文字等 归结为程序和数据 软件的核心: 算法 好的算法可以代替大量的硬件: FFT, MPEG

所有的硬件都是相似的， 软件则各有各不同 各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（处理、传输、存储） 软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己的软件，所以是各不相同的 真正的价值体现在软件 硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件

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计算机系统的性能评价 (1) 机器字长  指参与运算的数的基本位数； 与运算器、寄存器的位数有关； 非时间指标 (1) 机器字长  指参与运算的数的基本位数； 与运算器、寄存器的位数有关； 字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度也越高； 目前常见的计算机为32位和64位计算机。

计算机系统的性能评价 (2)数据总线宽度：指数据总线一次能并行传送的信息 位数。 一般指CPU内部运算器与存储器之间的数据总线。 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致：  8086、80286、80386内外数据总线等宽；  8088、80386SX 外部总线宽度小于内部总线宽度；  Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）

(3)存储器容量和带宽 主存容量是指其包含的存储单元总数. 主存可以字 节(B) 编址、也可以字(W) 编址。 存储带宽: 指单位时间内从存储中读出的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）表示。

时间指标 (1) CPU时间  CPU时间= 程序中所有指令的时钟周期数之和  时钟周期时间 执行一段程序所占用的CPU时间(程序的执行时间除CPU时间外还包括I/O、存储访问、各类排队时延等)。  CPU时间= 程序中所有指令的时钟周期数之和  时钟周期时间 =程序中所有指令的时钟周期数之和 / 时钟频率

(2)CPI (Clock cycles Per Instruction)  执行一条指令所需要的平均时钟周期数 CPI = 一段程序中所有指令的时钟周期数之和 / 指令条数 = 程序中各类指令的CPI程序中该类指令的比例 考虑CPI后的CPU时间可表示为: CPU时间= ICi表示程序中第i类指令的条数

表示每秒钟执行指令的条数(以百万条为单位) (3)MIPS (Million Instructions Per Second) 表示每秒钟执行指令的条数(以百万条为单位)  MIPS 10 6 =  指令条数 执行时间 CPU时钟周期总数 = 指令条数  10 6 /f f CPI =  10 6 MIPS 指令条数  10 6  程序的执行时间Te =

(4) MFLOPS (Million Floating-Point Operations Per Second) 描述计算机每秒钟执行浮点操作的次数，而不是MIPS所衡量的单位时间内执行的指令条数。 MFLOPS = 程序中的浮点运算次数/(执行时间  106 ）

MIPS = f/(CPI * 10 6) = 1*10 9/ (2.24 *106 ) = 446.4 (5) 应用举例 例1 假设一台计算机主频为1GHZ，在其上运行由2105条指令组成的目标代码，程序主要由4类指令组成，他们所占的比例和各自的CPI如下表所示，求程序的CPI和MIPS。 指令类型 CPI 指令混合比例 算术和逻辑 1 60% Load/Store 2 18% 转移 4 12% Cache缺失访存 8 10% 解： CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% +8*10% = 2.24 MIPS = f/(CPI * 10 6) = 1*10 9/ (2.24 *106 ) = 446.4

(6) 关于计算机系统的性能评价的思考 (1)CPU时间、CPI、MIPS、MFLOPS在评价计算机性能方面的特点和不足? (2)如何科学合理测试计算机系统的综合性能?有哪些常用测试工具?测试结果能否真实反映计算机的实际性能?

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计算机系统的层次结构 5.高级语言级 4.汇编语言级 3.操作系统级 2.一般机器级 传统机器级 1.微程序设计级

不同的级面向不同的用户， 采用不同的程序设计方法,使用不同的程序设计工具,得到的目标代码性能也不同。

1)软件和硬件的逻辑等价性 2)透明性: 本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。 3)计算机分层结构中的透明性: 一般机器级的特性(如通用寄存器的数量)对高级语言程序设计者透明 微指令的格式对一般机器级程序设计者透明

Machine Structure Software Hardware 本课程内容 Instruction Set Architecture Application (Netscape) Operating System Compiler (Unix; Windows 2000) Software Assembler Hardware Processor Memory I/O system Instruction Set Architecture Datapath & Control Digital Design Circuit Design 本课程内容 transistors, IC layout

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