04-06-ppt第3章(D)概论.ppt

计算机导论 第3章 计算机硬件系统 3.1计算机系统 3.2系统单元 3.3输入输出系统 3.4输入设备 3.5输出设备 3.6辅助存储设备 内容提要 本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的组成，包括系统单元、内存、系统总线、扩展卡以及常用的输入输出设备和辅助存储器。 通过本章学习，要求掌握计算机系统的基本结构和工作原理，了解多种输入输出设备及其功能。 3.1.1 冯·诺依曼体系结构  体系结构:指构成系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。 冯·诺依曼体系结构的要点： 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。 控制器和运算器是其核心，称为CPU 按存储程序原理进行工作 数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由地址确定 控制器是根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器(PC)控制指令的执行。 冯·诺依曼体系结构 3.1.2 计算机硬件体系结构的发展  适应串行的算法的体系结构改变为适应并行的算法的计算机体系结构。 面向高级语言计算机和直接执行高级语言的计算机。 硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应的计算机。 从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型的计算机。 各种适应特定应用的专用计算机。 高可靠性的容错计算机。 处理非数值化信息的计算机。 3.1.3 体系结构的评价标准 评价计算机系统的标准: 速度、容量、功耗、体积、灵活性、成本等指标。 计算机评测标准: 时钟频率(主频) 指令执行速度 等效指令速度 数据处理速率(processing data rate，PDR) 核心程序法 整数测试程序(Dhrystone) 浮点测试程序(Linpack) Whetstone基准测试程序 SPEC基准测试程序 TPC基准程序 时钟频率(主频) 主频也叫时钟频率，单位MHz，用来表示CPU的运算速度。 CPU的工作频率（主频）包括外频与倍频两部分。 外频：即系统总线﹑CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。 倍频：倍频概念指可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。倍频可以从1.5一直到23以至更高，以0.5为一个间隔单位。 主频 = 外频×倍频 即倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。 主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能 。 指令执行速度(MIPS) MIPS (Millions instruction per second )每秒百万条指令数 MIPS=指令条数/（执行时间*106）=Fz/CPI =IPC*Fz Fz： 处理机的工作主频； CPI (cycle per instruction)：每条指令所需的平均时钟周期数； IPC：每个时钟周期平均执行的指令条数。 等效指令速度（Gibson法） 等效指令执行时间T = 等效指令速度MIPS = 等效CPI = Wi:指令使用频率 i：指令种类 静态指令使用频率在程序中直接统计; 动态指令使用频率在程序执行过程中统计. 数据处理速率（PDR） PDR=L/R L=0.85G+0.15H+0.4J+0.15K R=0.85M+0.09N+0.06P G：每条定点指令的位数； M：平均定点加法时间； H：每条浮点指令的位置； N：平均浮点加法时间； J：定点操作数的位数； P：平均浮点乘法时间； K：浮点操作数的位数； 规定：G20位；H30位。 PDR主要对CPU和主存速度进行度量,它不能度量机器的整体速度. 核心程序法 将应用程序中使用得最频繁的那部分核心程序作为 度量计算机性能的标准程序，称为基准程序（benchmark)。 整数测试程序(Dhrystone) 浮点测试程序(Linpack) Whetstone基准测试程序 SPEC (system performance evaluation cooperative)基准测试程序 TPC (Transaction Processing Council)基准测试程序 ①整数测试程序 用C编写100条语句，包括各种赋值语句﹑各种数据类型和数据区﹑各种控制语句﹑过程调用﹑参数传送﹑整数运算和逻辑操作； ②浮点测试程序 用FORTRAN语言编写，主要是浮点加法和浮点乘法操作。 MFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数。 ③Whetstone基准测试程序 用FORTRAN语言编写的综合性测试程序，主要包括浮点运算﹑