1-计算机系统概述PPT
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？？ 量子？生物？智能？
第一代电子管计算机—IBM709大型机
第二代晶体管计算机——IBM7094
第三代计算机——IBM 360
第四代计算机——IBM370
第五代巨大规模集成电路计算机(天河一号)
1.2 计算机的硬件组成
• 1.2.1 计算机的硬件框图 • 1.2.2 计算机系统的主要技术指标
主存用以直接与CPU 交换信息,主存容量大,机器的运行 速度就快。
主存容量是指主存中存放二进制代码的总数,即: 存储容量= 存储单元个数× 存储字长
现代计算机中常以字节(byte)的个数来描述容量的大小。 缓存大小也是CPU 的重要指标之一。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 4）运算速度 (1)CPU执行时间
CPU执行时间=CPU时钟周期数/频率 或 CPU执行时间=CPU时钟周期数×时钟周期长度
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 4）运算速度
(2)平均运行时钟周期数CPI
CPI=CPU时钟周期数/指令条数IC
由此可得CPU执行时间的另一表达式:
CPU执行时间=CPI×IC×时钟周期长度
计算
CPU性能公式
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 1）机器字长
机器字长是指计算机中CPU 能进行多少位二进制数的 并行运算,实际上是指该计算机中的运算器有多少位,通常 计算机的数据总线和寄存器的位数与机器字长一致。
机器字长越长,数的表示范围就越大,精度也越高。 机器的字长也会影响机器的运算速度，对硬件的造价 也有较大影响。 衡量机器字长的单位可用“位(bit)”,位是计算机内 最小的信息单位,8位构成1个“字节(byte)”。 字长的长度是不固定的,对于不同的CPU,字长的长度也 不一样。
i 1
i 1
其中，ICi / IC 为指令i在程序中出现的频率,称为指令i的 使用频度。
例题
例1.1
用一台时钟频率为400MHz的处理机执行如表1.2 所示标准测试程序,程序中包含的各种指令条数及 各指令的平均时钟周期数如表1.2所示。求测试程 序的执行时间及CPI。
解答
• 程序的总指令条数为:
1.1 计算机的发展
从使用器件的角度来说,计算机的发展到目前为止大 致经历了5代的变化：
第1代为1946年开始的电子管计算机 第2代为1958年开始的晶体管计算机 第3代为1964年开始的中小规模集成电路计算机 第4代为1972年开始的大规模和超大规模集成电路
计算机 第5代为1986年开始的巨大规模集成电路计算机
控制器
输入设备
存储器
输出设备
运算器
图中：实线为控制线, 虚线为反馈线, 空心箭头线为数据线。
图1.2 以存储器为中心的计算机硬件框图
各部件的功能：
• 运算器用来完成算术运算和逻辑运算,并将运算的中间 结果暂存在运算器内。
• 存储器用来存放数据和程序。 • 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理
运算结果。 • 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为计算机能识别
的信息形式,常见的有键盘、鼠标等。 • 输出设ห้องสมุดไป่ตู้可将计算机运算结果转换为人们熟悉的信息形式,
如打印机、显示器等。
1.2.1 计算机的硬件框图
图1.3 现代计算机的组成框图
CPU——“中央处理器”的简称，由运算器和控制器组成。 I/O设备——“输入设备与输出设备”的简称。 CPU 与主存储器MM 合起来又可称为主机； I/O 设备可称为外部设备。 ALU——算术逻辑运算单元,用来完成算术逻辑运算。 CU——控制单元,用来解释存储器中的指令,并发出各种操作命 令来执行指令。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 2）主频
又称主时钟频率,CPU 工作的节拍是由主时钟控制的。 主时钟不断地产生固定频率的时钟脉冲,时钟脉冲的频 率就是CPU 的主频率。 主频率越高,CPU 的工作节拍越快,是影响机器运算速度 的重要参数。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
3）存储容量
存储容量的大小不仅影响着存储程序和数据的多少,而 且也影响着运行这些程序的速度。
CPU执行时间；MIPS，MFLOPS； 5.了解计算机的工作过程；
What?
1. 1 计算机的发展
计算机的产生
– 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士 发表《电子计算工具逻辑设计》论 文，提出二进制表达方式和存储程 序控制计算机构想。
– 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成 功电子数字计算机 ENIAC。重30吨， 耗电150kW，占地170平米，用电子 管18800个，每秒5000次加法。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
若一个计算机指令集包含N 条指令,其中指令i的执行时 间为 CPI i ,且出现次数为 IC i ,则该程序执行时间为:
N
CP执 U行时 （ 间 CPiIICi） 时钟周期长度 i1
整段程序的指令平均运行时钟周期数为:
N
N
C P(ICi P IiC I)/IC (Ci P IiC I/IC )
第一章
计算机系统概论
目录
• 1.1 计算机的发展 • 1.2 计算机的硬件组成 • 1.3 计算机系统的层次结构 • 1.4 系统结构的发展 • 本章小结
第一章 计算机系统概论
学习目的：
1.掌握冯.诺依曼计算机模型的思想、冯氏计算机的硬件
组成和基本功能； 2.掌握计算机系统的层次结构，从软件、硬件两方面描述； 3.掌握电子计算机的发展历程； 4.掌握计算机性能指标：CPU时钟周期，主频，CPI，
1.2.1 计算机的硬件框图
图中：实线为数据线, 虚线为控制线和反馈线。
图1.1 冯·诺依曼计算机硬件框图
冯·诺依曼计算机的特点是:程序以二进制代码的形式存放在存储器 中;所有的指令都是由操作码和地址码组成;指令在其存储过程中按 照执行的顺序;以运算器作为计算机结构的中心等。
1.2.1 计算机的硬件框图
N
IC IiC 40 0 30 0 0 0 20 0 0 0 10 0 0 0 150 00 i 1
• 指令的平均时钟周期数为:
N
CPI (CPiIICi)/IC i1 ( 1 40 2 0 30 0 2 0 0 20 0 2 0 0 10 0 )/1 0 5 0 0 1 .6 0
第一代电子管计算机—IBM709大型机
第二代晶体管计算机——IBM7094
第三代计算机——IBM 360
第四代计算机——IBM370
第五代巨大规模集成电路计算机(天河一号)
1.2 计算机的硬件组成
• 1.2.1 计算机的硬件框图 • 1.2.2 计算机系统的主要技术指标
主存用以直接与CPU 交换信息,主存容量大,机器的运行 速度就快。
主存容量是指主存中存放二进制代码的总数,即: 存储容量= 存储单元个数× 存储字长
现代计算机中常以字节(byte)的个数来描述容量的大小。 缓存大小也是CPU 的重要指标之一。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 4）运算速度 (1)CPU执行时间
CPU执行时间=CPU时钟周期数/频率 或 CPU执行时间=CPU时钟周期数×时钟周期长度
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 4）运算速度
(2)平均运行时钟周期数CPI
CPI=CPU时钟周期数/指令条数IC
由此可得CPU执行时间的另一表达式:
CPU执行时间=CPI×IC×时钟周期长度
计算
CPU性能公式
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 1）机器字长
机器字长是指计算机中CPU 能进行多少位二进制数的 并行运算,实际上是指该计算机中的运算器有多少位,通常 计算机的数据总线和寄存器的位数与机器字长一致。
机器字长越长,数的表示范围就越大,精度也越高。 机器的字长也会影响机器的运算速度，对硬件的造价 也有较大影响。 衡量机器字长的单位可用“位(bit)”,位是计算机内 最小的信息单位,8位构成1个“字节(byte)”。 字长的长度是不固定的,对于不同的CPU,字长的长度也 不一样。
i 1
i 1
其中，ICi / IC 为指令i在程序中出现的频率,称为指令i的 使用频度。
例题
例1.1
用一台时钟频率为400MHz的处理机执行如表1.2 所示标准测试程序,程序中包含的各种指令条数及 各指令的平均时钟周期数如表1.2所示。求测试程 序的执行时间及CPI。
解答
• 程序的总指令条数为:
1.1 计算机的发展
从使用器件的角度来说,计算机的发展到目前为止大 致经历了5代的变化：
第1代为1946年开始的电子管计算机 第2代为1958年开始的晶体管计算机 第3代为1964年开始的中小规模集成电路计算机 第4代为1972年开始的大规模和超大规模集成电路
计算机 第5代为1986年开始的巨大规模集成电路计算机
控制器
输入设备
存储器
输出设备
运算器
图中：实线为控制线, 虚线为反馈线, 空心箭头线为数据线。
图1.2 以存储器为中心的计算机硬件框图
各部件的功能：
• 运算器用来完成算术运算和逻辑运算,并将运算的中间 结果暂存在运算器内。
• 存储器用来存放数据和程序。 • 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理
运算结果。 • 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为计算机能识别
的信息形式,常见的有键盘、鼠标等。 • 输出设ห้องสมุดไป่ตู้可将计算机运算结果转换为人们熟悉的信息形式,
如打印机、显示器等。
1.2.1 计算机的硬件框图
图1.3 现代计算机的组成框图
CPU——“中央处理器”的简称，由运算器和控制器组成。 I/O设备——“输入设备与输出设备”的简称。 CPU 与主存储器MM 合起来又可称为主机； I/O 设备可称为外部设备。 ALU——算术逻辑运算单元,用来完成算术逻辑运算。 CU——控制单元,用来解释存储器中的指令,并发出各种操作命 令来执行指令。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
• 2）主频
又称主时钟频率,CPU 工作的节拍是由主时钟控制的。 主时钟不断地产生固定频率的时钟脉冲,时钟脉冲的频 率就是CPU 的主频率。 主频率越高,CPU 的工作节拍越快,是影响机器运算速度 的重要参数。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
3）存储容量
存储容量的大小不仅影响着存储程序和数据的多少,而 且也影响着运行这些程序的速度。
CPU执行时间；MIPS，MFLOPS； 5.了解计算机的工作过程；
What?
1. 1 计算机的发展
计算机的产生
– 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士 发表《电子计算工具逻辑设计》论 文，提出二进制表达方式和存储程 序控制计算机构想。
– 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成 功电子数字计算机 ENIAC。重30吨， 耗电150kW，占地170平米，用电子 管18800个，每秒5000次加法。
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
若一个计算机指令集包含N 条指令,其中指令i的执行时 间为 CPI i ,且出现次数为 IC i ,则该程序执行时间为:
N
CP执 U行时 （ 间 CPiIICi） 时钟周期长度 i1
整段程序的指令平均运行时钟周期数为:
N
N
C P(ICi P IiC I)/IC (Ci P IiC I/IC )
第一章
计算机系统概论
目录
• 1.1 计算机的发展 • 1.2 计算机的硬件组成 • 1.3 计算机系统的层次结构 • 1.4 系统结构的发展 • 本章小结
第一章 计算机系统概论
学习目的：
1.掌握冯.诺依曼计算机模型的思想、冯氏计算机的硬件
组成和基本功能； 2.掌握计算机系统的层次结构，从软件、硬件两方面描述； 3.掌握电子计算机的发展历程； 4.掌握计算机性能指标：CPU时钟周期，主频，CPI，
1.2.1 计算机的硬件框图
图中：实线为数据线, 虚线为控制线和反馈线。
图1.1 冯·诺依曼计算机硬件框图
冯·诺依曼计算机的特点是:程序以二进制代码的形式存放在存储器 中;所有的指令都是由操作码和地址码组成;指令在其存储过程中按 照执行的顺序;以运算器作为计算机结构的中心等。
1.2.1 计算机的硬件框图
N
IC IiC 40 0 30 0 0 0 20 0 0 0 10 0 0 0 150 00 i 1
• 指令的平均时钟周期数为:
N
CPI (CPiIICi)/IC i1 ( 1 40 2 0 30 0 2 0 0 20 0 2 0 0 10 0 )/1 0 5 0 0 1 .6 0