第一章 计算机系统概述目录 1.4 计算机的软件1.5 计算机系统性能评价1.6 计算机系统的层次结构1.4 计算机的软件1.4.1 软件的组成与分类现代计算机运算器存储器控制器适配器总线输入/输出设备组成。这些部件或设备都是由元器件构成的有形物体因而称为硬件或硬设备软件分为两大类系统软件、应用软件。1. 系统软件作用简化程序设计、简化使用、提高计算机使用效率扩展计算机功能。包含4类① 服务性程序诊断、排错、练习程序② 语言程序汇编程序、编译程序、解释程序③ 操作系统④ 数据库管理系统。2. 应用软件用户为解决特定业务编写的程序例如工程设计、数据处理、企业管理、科学计算程序等。随着计算机普及应用软件种类非常多。1.4.2 软件的发展演变1. 机器语言早期计算机直接使用机器语言二进制指令代码写程序称为手编程序。机器语言计算机可以直接识别执行但是编写繁琐、工作量大、不易查错限制使用。2. 汇编语言用约定符号、文字、数字表示指令属于符号语言。需要汇编器将汇编源程序翻译成机器语言目标程序。汇编语言相比机器语言便于记忆但是依旧面向特定机器移植性差。3. 算法语言高级语言贴近数学语言与具体机器无关易学易用。代表BASIC、FORTRAN、C、C、Java。高级语言写的代码叫源程序计算机不能直接识别需要编译程序编译器翻译成机器语言。C语言转换流程后续发展数据库管理系统高级语言向标准化、积木化发展向自然语言方向演进可以自动生成程序。1.5 计算机系统性能评价1.5.1 计算机的性能指标1. 吞吐量单位时间内系统能够处理的信息量。2. 响应时间从输入到产生输出的时间反映系统快慢。3. 利用率系统资源有效工作时间占总时间比例。4. 字长处理器一次可以处理的二进制位数。字长越长计算精度越高。主频是CPU时钟脉冲频率时钟周期 1/主频。CPU执行时间 CPU时钟周期数 × 时钟周期5. CPI每条指令平均时钟周期数CPI 程序总时钟周期数 / 指令总数也可以加权计算CPI Σ( CPIi × Ii / IN )Ii第i类指令数量IN全部指令总数。6. MIPS 百万指令每秒MIPS 主频 / (CPI × 10^6)7. FLOPS 浮点运算速度MFLOPS百万浮点每秒、GFLOPS、TFLOPS衡量浮点运算能力。两个重点例题1.5.2 计算机系统的测试基准使用基准测试程序评估整机性能。常用基准SPEC系列、TPC、Linpack、STREAM。基准测试程序选取典型负载运行后给出分数分数越高代表对应场景性能越强。注意不同基准侧重方向不一样一个程序性能好不代表所有场景性能都强。1.6 计算机系统的层次结构1.6.1 冯·诺依曼体系结构1945年提出冯诺依曼机三大基本原则1. 采用二进制表示数据和指令2. 存储程序指令、数据存放在同一个存储器3. 五大硬件部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。冯·诺依曼机基本特点1. 在机器内部指令和数据均以二进制表示。2. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。① 运算器能进行算术和逻辑运算以及附加操作。② 控制器能自动执行指令。③ 存储器(内存)不仅能存放数据也能存放指令。对存储器本身而言二者没有区别都是由0和1组成的代码序列。④ 输入/输出设备保证人与计算机的相互通信。3. 指令由操作码和地址码组成。4. 采用存储程序方式。核心存储程序。修改存储器内指令就能改变程序功能硬件线路不用改动实现可编程。现代计算机基本沿用冯诺依曼架构。1.6.2 哈佛结构和改进的哈佛结构特点冯诺依曼指令与数据放在同一个存储器共用总线取指和访存会产生冲突存在瓶颈。1. 哈佛结构指令存储器、数据存储器相互独立、分开编址两套独立总线可以并行访问指令和数据。2. 改进哈佛结构保留独立的指令、数据存储空间合并部分总线是现在CPU、单片机大量使用的方案。1.6.3 非诺依曼化冯诺依曼架构由控制器驱动顺序执行指令。非诺依曼打破传统串行执行尝试并行执行指令、数据流驱动。例如数据流计算机。目前没有大规模普及仍处于研究阶段。1.6.4 多级组成的计算机系统计算机分为多级层次从底层硬件到高层硬件高层语言由下层支持每一层都可以进行程序设计。1.6.5 软件与硬件的逻辑等价性逻辑等价任何软件算法理论上都可以用硬件实现硬件功能也可以用软件模拟。选用硬件还是软件由成本、速度、可靠性、更新周期决定。硬件速度快成本高一旦设计完成不易修改软件灵活易修改成本低速度慢。固件微码固化在硬件里的软件是软硬件的中间形态。1.6.6 计算机系统结构、计算机组成、计算机实现1. 计算机组成计算机硬件系统逻辑实现部件、原理、逻辑连接。2. 计算机系统结构体系结构软硬件交界面程序员看到的属性。指令集、寻址方式、数据类型、I/O机制。3. 计算机实现物理实现器件、集成、电路、装配、冷却等物理工程。三者关系系统结构是概念功能计算机组成是逻辑实现计算机实现是计算机组成的物理实现。转化方法18 16 21×2⁴ 1×2¹1×2⁴0×2³0×2²1×2¹0×2⁰10010(二进制)18 1×10¹ 8×10⁰18(十进制)小数转二进制循环法0.4×20.8 …0×21.6 …1×20.2 …1×20.4 …0×20.8 …0×21.6 …1原理小数部分不断乘2取整数位剩下的小数继续乘2循环计算。0.4(十进制) 0.011001……(二进制)无限循环小数。