计组复习课件--第一章概述

1第一章概述2主要内容计算机系统中软件和硬件的基本概念计算机系统的层次结构冯诺依曼计算机结构的特点计算机硬件的基本组成计算机的工作过程计算机系统的性能指标计算机的发展历程3计算机系统中软件和硬件的基本概念计算机系统硬件主机处理器(CPU)软件外围设备运算器控制器存储器(内存)RAMROM外部设备辅助设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪…)输出设备(显示器、打印机、绘图仪、…)辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)总线(AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序…)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理…)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路4计算机系统中软件和硬件的基本概念基本概念：通用计算机数字计算机计算机分类基本功能：数据运算、数据存储、数据传送、控制5计算机系统的层次结构从机器使用者的角度来说，计算机系统分为应用软件、系统软件和硬件三个层次。从程序设计员和机器硬件设计者的角度来说，细分为：高级语言虚拟机、汇编语言虚拟机、操作系统虚拟机、机器语言机器、微程序机器。逻辑等价6冯诺依曼计算机结构特点：①有运算器、控制器、存储器、输入、输出五大部分组成。②指令和数据用二进制表示，两者形式上没有差别。③指令和数据存放在存储器中，按地址访问。④指令由操作码和地址码组成，操作码指定操作性质，地址码指定操作数地址。⑤采用“存储程序控制”方式进行工作。7以下关于冯.诺依曼计算机工作方式的叙述中，错误的是（）。A.计算机完成的所有任务都必须执行相应的程序来完成B.某任务用某语言（如C++）编好程序后，一旦被启动，则马上可调至主存直接执行C.程序执行时，CPU按指令地址自动按序到内存读取指令并执行D.冯.诺依曼计算机工作方式称为“存储程序”控制方式冯诺依曼计算机结构8计算机的工作过程①用某种语言(高级语言或低级语言)编制程序，称为源程序。②用语言处理程序(编译程序或汇编程序)将源程序翻译成机器语言目标程序。③启动目标程序，将所含的指令和数据装入内存。④从第一条指令开始执行：取指令、指令译码、取操作数，运算、送结果、PC指向下一条指令。⑤重复第④步，周而复始地执行指令，直到程序所含指令全部执行完。9计算机的工作过程指令和数据形式上没有差别，且都存于存储器中，计算机如何区分它们呢？答：执行指令的过程分为：取指令、指令译码、取操作数、运算、送结果等。所以，在取指令阶段，总是根据程序计数器PC的值去取指令，所以取来的一定是指令；取操作数阶段取的一定是数据。10描述一台计算机的运算速度的单位应该是每秒执行多少条指令MIPS即MillionInstructionPerSecond的简写－－计算机每秒钟执行的百万指令数。是衡量计算机速度的指标。对于带有浮点运算的计算机系统，常用每秒百万个浮点操作MFLOPS（MillionFloationg-pointOperationsPerSecond）6MFLOPS=10浮点数操作次数执行时间计算机系统的主要技术指标11计算机系统的主要技术指标举例说明在已知指令系统内部各类指令的执行时间（Ti）情况下，对机内运行的典型程序进行统计，找出各类机器指令的使用频度（fi）。才可计算出等效的指令执行时间（T）。显然，其等效的运算速度应为：1niTfiTi1VT12举例说明指令名称参数传送指令加、减法指令乘、除法指令逻辑运算指令其他指令其他指令使用频度（％）3020102020执行时间（ns）200400250030025013举例说明于是这台机器的等效运算速度应为：=2*106条/秒=2MIPS91(0.32000.24000.125000.23000.2250)10V91(60802506050)1014衡量计算机系统性能的主要指标计算机系统性能的好坏主要体现在速度，而衡量速度快慢主要有两个指标：响应时间：响应时间是指从作业提交开始到作业完成所花的时间。一般一个程序的响应时间除了CPU执行程序包含的指令所花的时间外，还包括磁盘访问时间、存储器访问时间、输入输出操作所需时间，以及操作系统运行这个程序所花的时间开销等。吞吐率：是指单位时间内完成的工作量15衡量计算机系统性能的主要指标CPI：是指每条指令执行时所花的平均时钟数。一个程序的执行时间与该程序所包含的指令数、CPI和时钟周期有关，成正比关系。所以，在指令条数和时钟周期一定的情况下，CPI越大，执行时间越长。时钟频率：在其他因素不变的情况下，CPU的时钟频率越高，机器的速度肯定越快。影响计算机系统性能其他因素：程序执行的速度除了与加工指令的CPU的速度有关外，还与存储器、I/O等模块的存取速度、总线的传输速度，甚至与软件（如：操作系统等）都有很大关系。CPU执行得再快，但经常发生要取的指令或数据不在“附近”，要花很长时间从内存取过来，甚至还要到磁盘上去取，那么程序的执行速度会受很大的影响。16CPU执行时间=CPU时钟周期数/程序X时钟周期=CPU时钟周期数/程序÷时钟频率=指令条数/程序XCPIX时钟周期CPI=CPU时钟周期数/程序÷指令条数/程序MIPS：MillionInstructionsPerSecondMFLOPS：MillionFloating-pointOperationsPerSecond注：时钟周期和时钟频率互为倒数衡量计算机系统性能的主要指标若有两个基准测试程序P1和P2在机器M1和M2上运行，假定M1和M2的价格分别是5000元和8000元，下表给出了P1和P2在M1和M2上所花时间和指令条数。请回答下列问题：（1）对于P1，哪台机器的速度快？快多少？对于P2呢？（2）在M1上执行P1和P2的速度分别是多少MIPS？在M2上的执行速度各是多少？从执行速度来看，对于P2，哪台机器的速度快？快多少？（3）假定M1和M2的时钟频率各是800MHz和1.2GHz，则在M1和M2上执行P1时的平均时钟周期数CPI各是多少？（4）如果某个用户需要大量使用程序P1，并且该用户主要关心系统的响应时间而不是吞吐率，那么，该用户需要大批构成机器时，应该选择M1还是M2呢？为什么？（提示：从性价比上考虑）（5）如果另一个用户也需要购进大批机器，但该用户使用P1和P2一样多，主要关心的也是响应时间，那么，应该选择M1还是M2呢？为什么？程序M1M2指令条数执行时间(ms）指令条数执行时间(ms)P1200x10610000150x1065000P2300x1033420x1036答案：（1）对于P1，M2比M1快一倍；对于P2，M1比M2快一倍。（2）对于M1，P1的速度为：200M/10=20MIPS；P2为300k/0.003=100MIPS。对于M2，P1的速度为：150M/5=30MIPS；P2为420k/0.006=70MIPS。从执行速度来看，对于P2，因为100/70=1.43倍，所以M1比M2快0.43倍。（3）在M1上执行P1时的平均时钟周期数CPI为：10x800M/(200x106)=40在M2上执行P1时的平均时钟周期数CPI为：5x1.2G/(150x106)=40（4）考虑运行P1时M1和M2的性价比，因为，该用户主要关心系统的响应时间，所以，性价比中的性能考虑执行时间，其性能为执行时间的倒数。故性价比R为：R=1/（执行时间x价格）R越大说明性价比越高，也即，“执行时间x价格”的值越小，则性价比越高。因为10x50005x8000，所以，M2的性价比高。应选择M2。（5）P1和P2需要同等考虑，性能有多种方式：执行时间总和、算术平均、几何平均。若用算术平均方式，则：因为，(10+0.003)/2x5000(5+0.006)/2x8000，所以，M2的性价比高。应选择M2。若用几何平均方式，则：因为，sqrt(10x0.003)x5000sqrt(5x0.006)x8000，所以，M1的性价比高，应选择M1。若机器M1和M2具有相同的指令集，其时钟频率分别为1GHz和1.5GHz。在指令集中有5种不同类型的指令A～E。下表给出了在M1和M2上每类指令的平均时钟周期数CPI。请回答下列问题：（1）M1和M2的峰值MIPS各是多少？（2）假定某个程序P的指令序列中，5类指令具有完全相同的指令条数，则程序P在M1和M2上运行时，哪台机器更快？快多少？在M1和M2上执行程序P时的平均时钟周期数CPI各是多少？程序ABCDEM112234M222456答案：（1）M1上可以选择一段都是A类指令组成的程序，其峰值MIPS为1000MIPS。M2上可以选择一段A和B类指令组成的程序，其峰值MIPS为1500/2=750MIPS。（2）5类指令具有完全相同的指令条数，所以各占20%。在M1和M2上执行程序P时的平均时钟周期数CPI分别为：M1：20%x(1+2+2+3+4)=0.2x12=2.4M2：20%x(2+2+4+5+6)=0.2x19=3.8假设程序P的指令条数为N，则在M1和M2上的执行时间分别为：M1：2.4xNx1/1G=2.4N(ns)M2：3.8xNx1/1.5G=2.53N(ns)所以，M1执行P的速度更快，每条指令平均快0.13ns。假设某机器M的时钟频率为4GHz，用户程序P在M上的指令条数为8x109，其CPI为1.25，则P在M上的执行时间是多少？若在机器M上从程序P开始启动到执行结束所需的时间是4秒，则P占用的CPU时间的百分比是多少？解：程序P在M上的执行时间为：1.25x8x109x1/4G=2.5s从启动P执行开始到执行结束的总时间为4秒，其中2.5秒是P在CPU上真正的执行时间，其他事件可能执行操作系统程序或其他用户程序。所占的百分比为：2.5/4=62.5%假定某编译器对某段高级语言程序编译生成两种不同的指令序列S1和S2，在时钟频率为500MHz的机器M上运行，目标指令序列中用到的指令类型有A、B、C和D四类。四类指令在M上的CPI和两个指令序列所用的各类指令条数如下表所示。项目ABCD各指令的CPI1234S1的指令条数2224S2的指令条数4121请问：S1和S2各有多少条指令？CPI各为多少？所含的时钟周期数各为多少？执行时间各为多少？答案：S1和S2的指令条数分别为：10和8S1和S2的CPI分别为：S1：1x2/10+2x2/10+3x2/10+4x4/10=28/10=2.8S2：1x4/8+2x1/8+3x2/8+4x1/8=16/8=2S1和S2所含的时钟周期数分别为：S1：28；S2：16S1和S2的执行时间分别为：S1：28x1/500M=56ns；S2：16x1/500M=32ns23三总线包括数据总线、总线、总线。简述存储程序计算机（冯·诺依曼结构）的特点。24体系结构并行计算机分类加速比