1. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 主讲： 数字逻辑与计算机组成 原理

2. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 第 1 章 概述

3. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 本章主要内容： 本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、计算机组成 、计算机实现和计算机系统结构等概念；同时介绍计算 机系统结构的分类、计算机系统的性能评价等内容。重 点掌握计算机系统结构的层次结构、计算机系统结构的 分类和计算机系统的性能评价标准等。

4. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.1 计算机系统概念 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机系统组成 1.4 计算机系统结构的分类 1.5 计算机系统结构的评价 1.6 计算机系统结构的发展

5. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.1 计算机系统概念 1.1.1 计算机的产生与发展 世界上第一台电子计算机诞生于 1946 年， 是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫 克利（ J.Mauchly ）教授及其同事们共同研制 成功的，称为电子数字积分器和计算机 （ Electronic Numerical Integrator And Computer ， ENIAC ）。

6. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1 ．机械计算时代（ 1642 ～ 1945 年）机械 式 2 ．第一代电子计算机（ 1946 年至 20 世纪 50 年代末期） 电子管 3 ．第二代计算机（ 20 世纪 50 年代末期至 60 年代中期） 晶体管 4 ．第三代计算机（ 20 世纪 60 年代中期至 70 年代初期） ＳＳＩ和ＭＳＩ 5 ．第三代以后的计算机（ 20 世纪 70 年代 初开始） ＬＳＩ和ＶＬＳＩ

7. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.1.2 计算机的应用 1 ．科学计算 2 ．数据处理 3 ．实时控制 4 ．计算机辅助设计 (CAD)/ 计算机辅助制造 (CAM)/ 计算机集成制造系统 5 ．计算机信息管理

8. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.1.3 计算机系统结构、计算机 组成和计算机实现 1 ．计算机系统结构 计算机体系结构，其英文为 “ Compuer Architecture ” 主要研究计算机系统的设计。

9. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 2 ．计算机组成 3 ．计算机实现 计算机组成是 指计算机系统 结构的逻辑实 现。 计算机实现是 指计算机组成 的物理实现。

10. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.2 计算机系统的层次结构 图 1-1 计算机硬件、软件和用户 计算机系统由硬件 和软件构成，如果以 硬件为核心，计算机 系统可以用图 1-1 表示。

11. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 图 1-2 计算机系统的层次结构 图 1-2 描述了计算 机的层次结构。 图 1-2 描述了计算 机的层次结构。

12. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.3 计算机系统组成 CPU 内部也由相对独立的几个部分组成， 如图 1-3 所示。 图 1-3 一台简单的计算机硬件组成图

13. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.4 计算机系统结构的分类 1.4.1 弗林分类法 按照指令流和数据流的多寡， Flynn 将计算机体 系结构分成 4 种类型。 （ 1 ）单指令流单数据流（ Single Instruction stream Single Data stream ， SISD ）计算机。 （ 2 ）单指令流多数据流（ Single Instruction stream Multiple Data stream ， SIMD ）计算机。 （ 3 ）多指令流单数据流（ Multiple Instruction stream Single Data stream ， MISD ）计算机。 （ 4 ）多指令流多数据流（ Multiple Instruction stream Multiple Data stream ， MIMD ）计算机。

14. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 表 1-2 计算机系统 Flynn 分类法 指 令 流数 据 流名 称举 例 11SISD 传统的冯 · 诺伊曼计算机 1 多个 SIMD 超级向量计算机，阵列处理机 多个 1MISD 目前还没有 多个 MIMD 多处理器，多计算机 下表列出了 Flynn 分类法以及每种计算机的实例。

15. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.4.2 冯氏分类法 图 1-5 所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况，其中 的点为一些典型的计算机系统。 图 1-5 冯氏分类法及典型计算机系统

16. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系 统分为以下 4 种。 （ 1 ）字串位串型（ Word Serial Bit Serial ， WSBS ）： n=1 ， m=1 （ 2 ）字串位并型（ Word Serial Bit Parallel ， WSBP ）： n=1 ， m ＞ 1 （ 3 ）字并位串型（ Word Parallel Bit Serial ， WPBS ）： n ＞ 1 ， m=1 （ 4 ）字并位并型（ Word Parallel Bit Parallel ， WPBP ）： n ＞ 1 ， m ＞ 1

17. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.4.3 海德勒分类法 Händler 分类法实际上也可以称作 Händler 表示 法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示 法。 Händler 表示法用如下形式表示计算机的结构特 征，即 t （系统型号） = （ k ， d ， w ）。 其中，程序控制部件的个数为 k ，算术逻辑部件 或处理部件的个数为 d ，每个算术逻辑部件包含的基 本逻辑线路套数为 w 。

18. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.5 计算机系统结构的评价 1.5.1 系统运行速度 1 ． MIPS 指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的 数量。 MIPS= 指令条数 / 执行时间 2 ． MFLOPS MFLOPS 是指每秒钟百万次浮点运算数。 MFLOPS= 程序中的浮点运算次数 / 运行时间

19. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 3 ．标准程序测试法 （ 1 ）基准测试程序 System Performance Evaluation Corporation （ 2 ）整数测试程序： Dhrystone （ 3 ）浮点测试程序： Linpack （ 4 ） Whetstone 基准测试程序 （ 5 ） TPC 基准程序 Transaction Processing Council （事务处理委员会）

20. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 加速比是系统性能指标评价的另一个指标，系 统加速比有时也称为 Amdahl 定律。 Amdahl 是这样 对系统加速比定义的： T 0 是指系统没有改进以前运行程序所用的时间； T n 是系统采用了改进措施以后运行程序所用的时 间。也可以将加速比描述为系统改进后运行程序 的速度与未采用改进措施前运行程序速度的比值。 1.5.2 加速比 Sn=T0/Tn

21. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 Amdahl 在考察系统加速比时引入两个重 要的指标，即可改进比 Fe 和部件加速比 Se 。 可改进比 Fe 是指在系统中可改进部分占系统 整体的百分数，因此 0 ＜ Fe ＜ 1 ；部件加速比 Se 是指改进部分采用改进措施以后比没有采 用改进措施以前性能提高的倍数，可见 Se ＞ 1 。

22. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 这样 T n =(1−F e )T 0 +F e /S e T 0 =(1−F e +F e / S e )T 0 将上式代入加速比的定义中，可得： 可见，加速比 Sn 的大小只与 Fe 和 Se 有关，只要 可见，加速比 Sn 的大小只与 Fe 和 Se 有关，只要 Fe 不为 0 且 Se 大于 1 ，得到的 Sn 一定大于 1 ，也就 是说，只要对系统中某部件进行了改进，总会对 全系统的性能提升有好处。 = Sn=

23. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 从上式可以看出，当 Fe→1 时， Sn→Se 。即，当 可改进比接近于 1 时，也就是说整个系统可以像一个 部件一样改进，则系统加速比就等于部件加速比。 当系统中有多个部件可以改进时， Amdahl 定律 可以扩展为如下形式： Sn= (i=1,2…m)

24. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 其中 m 为系统中可改进的部件数量。 利用 Amdahl 定律可以知道，某一部件的改 进，使整个系统的性能能提高多少。同时也 可以由此得出系统的最佳配置，以保证系统 设计时部件的改进在某种应用中获得更好的 性能价格比。

25. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 例 1.1 设系统中某部件采用改进措施后运行速度 是原来的 10 倍，而该部件的原运行时间占整个系 统运行时间的 40% ，那么，采用改进措施后会对 整个系统的性能提高多少？ 解：由题意可知， Fe=40%=0.4 ， Se=10 依据 Amdahl 定律， 得 Sn= = =1.5625 即，采用改进措施后，系统可以提升速度为原来的 1.5625 倍。

26. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.5.3 CPU 性能 表征 CPU 性能的主要标志：一是 CPU 的能 力；二是 CPU 的速度。 CPU 的能力是通过硬件连接能力和系统管 理能力来体现的。 CPU 的速度主要通过主时钟、指令时钟数 来衡量。

27. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1 ．主时钟 2 ． CPU 性能公式 程序的执行时间称为 CPU 时间，即： CPU 时间 = 时钟周期数 / 时钟频率 程序执行过程中所使用的指令数，记为 IC ，则： CPI= 总时钟周期数 /IC 程序执行的 CPU 时间就可以表示为： CPU 时间 =CPI×IC/ 时钟频率 =CPI×IC× 时钟周期数 这个公式就是通常所称的 CPU 性能公式。

28. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 作为衡量 CPU 运行速度的指标 CPI ，通常是一种概率 统计的结果。 设通过对许多程序的统计，得知第 i 类指令的使用 频率是 Pi ，而执行该类指令所需的时钟周期为 CPI i ， 而全部指令的类别数为 n ，则该处理机的统计平均 CPI 就为 CPI = = 其中的 IC i 为第 i 类指令的指令条数。

29. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.5.4 系统的性能价格比 为了更好地降低系统的生产成本，系统设计者应 该考虑如下的问题： （ 1 ）对于生产批量不大的系统，应尽量采用成熟的 通用元器件，譬如使用市场上最常见的微处理器、 存储器芯片。 （ 2 ）充分利用成熟的技术，采用标准化设计。 （ 3 ）考虑系统的继承性和合理的体系结构。

30. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.6 计算机系统结构的发展 1.6.1 冯 · 诺依曼机系统结构的演变 1.6.2 软件、应用和器件对系统结构的影响 1 ．软件对系统结构的影响 2 ．应用对系统结构的影响 3 ． VLSI 对系统结构的影响

31. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 1.6.3 系统结构中并行性的 发展 并行性的实现方法有以下 3 种 : （ 1 ） 时间重叠 —— 从时间上体现并行性，同一时间段内执行 多个任务。 （ 2 ） 资源重复 —— 从空间上体现并行性，几个任务同时使用 同一空间。 （ 3 ） 资源共享 —— 从并发性上体现并行性。

32. 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 数字逻辑与计算机组成原理 并行性的发展从单机和多机两个方面考虑问题。 从单机的角度讲，考虑使用流水线技术、多道程 序、分时操作系统等技术实现系统并行性；从多机 系统来讲，可以使用松耦合系统、专用外围处理 机、专用语言处理机、异构型多处理机系统等形式 构成多计算机系统。