1计算机系统概论

存储器容量
存储器带宽
主频/时钟周期
CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生 固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。 度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。 例如Pentium系列机为60MHz～266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。
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计算机性能和性能评价
参考书
[1] 李勇等编，计算机原理与设计，国防科技大学出版社 [2] Linda Null等编，计算机组成与体系结构，机械工业出版社 [3] 李亚民主编，计算机原理与设计，清华大学出版社 [4] 王爱英主编，计算机组成与结构(第3版)，清华大学出版社 [5] David A. Patterson等， 《 Computer Organization and Design—The Hardware /Software Interface》 ，《计算机组 成与设计——硬件/软件接口》第5版，机械工业出版社，2015 [6] 唐朔飞编著，计算机组成原理习题集，电子工业出版社 [7] 白中英主编，计算机组成原理试题解析，科学出版社 [8] 徐爱萍编著，计算机组成原理――习题与解析，清华大学出 版社 [9]潘明编著，现代计算机组成原理,科学出版社 [10]潘明编著， EDA技术实用教程（第4版）Verilog HDL，清 华大学出版社
1.CPU性能：CPU执行程序所用的时间。
TCPU=INCPI T= (IN×CPI)/f
CPU执行某一 程序中所包含 的指令总数 时钟 周期 执行每条指令所 需的平均时钟周 期数 时钟 频率
分析：计算机的运算速度和CPI、指令条数、 时钟频率等因素有关
时钟频率：取决于硬件技术和组织,用于同类处理机之间 如：PentiumⅡ/450比PentiumⅡ/300快50％，… CPI：取决于系统结构和指令集，反映了CPU的结构性能 指令条数：取决于系统的指令集和编译技术
MIPS=指令条数/（执行指令时间×106）=主频/CPI=主频×IPC
MFLOPS定义为： MFLOPS=浮点操作次数/（执行指令时间×106）
衡量机器性能的唯一可靠的标准就是真正的 执行程序的时间
例子：PentiumII 450的CPI＝0.5，计算该 处理机的运算速度是多少MIPS？ 解： 已知 CPI ＝0.5 f = 450MHz
CPI=1×0.43+2×0.21+2×0.12+2×0.24
=0.43+0.42+0.24+0.48=1.57
计算机的主要技术指标 运算速度：运算速度与许多因素有关，如机器的主频、
执行什么样的操作、主存本身速度（主存速度快，取
指令速度就快）等有关。
普遍以计算机每秒执行的平均指令条数来衡量。
MIPS定义为：
第一章
计算机系统概论
1.1计算机的分类
1.2计算机发展简史
1.3计算机的硬件
1.4计算机的软件 1.5计算机系统的层次结构
1.1计算机的分类
一、电子计算机从总体上来说分为两大类。 电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。 模拟计算机的特点是数值由连续量来表示， 运算过程也是连续的。 电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展 起来的，是用数目字来表示数量的大小。数 字计算机的主要特点是按位运算，并且不连 续地跳动计算。
体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器
功率150KW
类型
时期
主要器 件
系统结构特点
软、硬件特点
代表机型
第1 代
第2 代 第3 代
1946- 电子管 1957
1958- 晶体管 1964 1965- 中小规 1971 模集成 电路 1972- 大/超大 1990 规模集 成电路 1991- 巨大规 模集成 电路
计算机组成与体系结构
湘潭大学信息工程学院
主 讲: 成 洁
学习内容
• 高级语言编写的程序是如何翻译成硬件 语言的，硬件又是怎样执行这些程序的？ • 软、硬件之间的接口是什么？软件是如 何命令硬件完成指定功能的？ • 什么决定了程序的性能？程序员应该如 何改进程序的性能？ • 硬件设计人员可以采用什么样的技术来 提高计算机系统的性能？
存储程序计算 机、程序控制 I/O
机器语言，汇编语言。速 普林斯顿ISA、 度低，体积大，价格昂贵，ENIAC、IBM701 可靠性差，用于科学计算。
浮点数据表示、 高级语言和编译、批处理 Univac LARC、 寻址技术、中 监控系统，操作系统。体 CDC1604、 IBM7030 断、I/O处理机 积缩小，可靠性提高。 流水线、 Cache、先行 处理、系列计 算机 向量处理、分 布式存储器 多道程序和分时操作系统，IBM360/370、 体积小，可靠性大大提高，CDC6600/7600、 DEC PDP-8 应用领域不断扩大。 并行与分布处理 速度提高至几千万次 出现微型计算机（PC）
MIPS = f×10-6/CPI = 450×106×10－6/0.5 = 900MIPS
CPI= i=1
n = ∑（CPIi× i=1
IN
Ii ） IN
第i类指令在总 程序中占的比例
例：某台计算机只有 Load/Store 指令能对存储器进行读 / 写 操作其它指令只对寄存器进行操作，根据程序跟踪实验结果， 已知每种指令所占的比例及CPI数如下: 求平均CPI。
指令类型 算逻指令 LOAD指令 SRORE指令 转移指令 指令所占比例 43% 21% 12% 24% CPI 1 2 2 2


专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的 计算机，但是它的适应性很差。 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了 效率、速度和经济性。
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1.1计算机的分类
三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、 性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器 价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 演示 PC机 单片机
8088
80486
CPI＝20
CPI＝2
Pentium CPI＝1
PII CPI＝0.3
∑
n (CPIi × Ii) Ii：第i类指令的数目 CPIi：执行每条i类指 令所需的周期数
i=1
CPI=
执行整个程序所需的 执行整个程序所需的CPU CPU时钟周期数 时钟周期数 程序中指令的总数 n
∑ (CPIi×Ii)
第1----8章。 第9,10,11 章选讲。
学习目标
• 理解计算机系统中各部件的工作原理、组 成结构和连接方式，建立计算机系统的整 机概念 • 理解计算机系统层次化结构概念，熟悉软 硬件之间的界面，掌握指令集体系结构的 基本知识和基本实现方法 • 综合运用计算机原理的基本知识和基本方 法，分析和计算硬件系统中的相关问题， 并能对一些基本部件进行简单设计(用 Verilog HDL设计CPU及I/O接口和总线） • 特点：自主创新能力培养与训练
Quartus II Software Online Demonstrations Center 杭州康芯电子有限公司
Class Registration Details for Quartus II 软件设计系列： 基础 (Chinese Version of The Quartus II Software Design Series: Foundation)
DRAM半导体存储器芯片
磁盘存储(硬盘与软盘)
半导体存储(ROM/RAM) 磁带/磁芯/磁鼓存储 汞延迟线 存储设备 磁芯存储器
FlashRAM存储器
类别
电子自动计算-计算机系统 控制与计算-微处理器-计算机系统的核心？
1.2.3 微处理器的发展
字长：8位16位32位64位 主频：几MHz几百MHz几GHz 晶体管数量：几万几百万几亿
存储设备 电子自动计算-计算机系统
怎样解决大规模快速存储问题？
发 展 水 平 纳米存储/量子存储 固态硬盘 USB Removable disk FlashRAM 光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD) •体积越来越小 •容量越来越大 •访问速度越来越快 •可靠性越来越高 •功耗越来越低 •持久性越来越好 固态硬盘 U-Disk
1974
1982
1985
1989
1993
1997
1999
2005
Intel 奠基人 Gordon Moore 1965年提出
每18个月：集成电路的性能翻一番，晶体管的数目翻一 番，集成电路的价格降一半
随着各大公司争相生产最强劲 的芯片，摩尔定律逐渐成了鉴 定芯片公司能否存活的标志： 要么每年把芯片上的晶体管数 提高一倍，要么就死。
学习方法
• 认真听讲，积极思考
– 是什么，为什么，怎么做
• 温故而知新
– 预习、复习、实践
– 概念的记忆、原理的理解、硬件的设计
• 交流是成功的关键
– 查阅相关文献和书籍 – 与他人交流
理论课时数：56学时＝14周*4学时 实验课时数： 16学时＝4个*4学时 计算机系统是一个由硬件和软件构成 的自动化电子数字系统。本章先简要介绍 补充学习： 计算机的发展概况、分类、特点和技术指 EDA(Electronic Design Automation)技术 标，然后讲述计算机的设计思想和计算机 网络资源 的工作过程，以及计算机系统结构的基本 EDA 工具Quartus Ⅱ简介 概念及其应用。目的是为了帮肋读者在还 硬件描述语言 Verilog HDL简介 未学习后续各章内容之前，先对计算机系 统有一个整体概念。 altera主页
1.2.4 计算机的性能指标
吞吐量
表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信 息量，单位是字节/秒（B/S）。