【正文】 (1) CPU時(shí)鐘周期:機(jī)器主頻的倒數(shù),TC(2)主頻:CPU工作主時(shí)鐘的頻率,機(jī)器主頻Rc(3)CPI:執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期(4)CPU執(zhí)行時(shí)間:TCPU=InCPITC In執(zhí)行程序中指令的總數(shù) CPI執(zhí)行每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù) TC時(shí)鐘周期時(shí)間的長(zhǎng)度3. MIPS,MFLOPS(1)MIPS:(Million Instructions Per Second) Te:執(zhí)行該程序的總時(shí)間=指令條數(shù)/(MIPS)In:執(zhí)行該程序的總指令數(shù)Rc:時(shí)鐘周期Tc的到數(shù) MIPS只適合評(píng)價(jià)標(biāo)量機(jī),可以得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果.(2) MFLOPS: (Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te)Ifn:程序中浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù),同一程序運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上時(shí)往往會(huì)執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù),但所執(zhí)行的浮點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)常常是相同的.特點(diǎn)：1. MFLOPS取決于機(jī)器和程序兩方面,不能反映整體情況,只能反映浮點(diǎn)運(yùn)算情況2. 同一機(jī)器的浮點(diǎn)運(yùn)算具有一定的同類可比性,而非同類浮點(diǎn)操作仍無(wú)可比性當(dāng)前微處理器的發(fā)展重點(diǎn)①進(jìn)一步提高復(fù)雜度來(lái)提高處理器性能②通過(guò)線程進(jìn)程級(jí)的并發(fā)性提高處理器性能③將存儲(chǔ)器集成到處理器芯片來(lái)提高處理器性能④發(fā)展嵌入式處理器軟件開(kāi)發(fā)有以下幾個(gè)特點(diǎn)1) 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)2) 制作成本昂貴3) 檢測(cè)軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性計(jì)算機(jī)的展望一、計(jì)算機(jī)具有類似人腦的一些超級(jí)智能功能 要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá)1015/秒 二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制? 芯片集成度受物理極限的制約? 按幾何級(jí)數(shù)遞增的制作成本? 芯片的功耗、散熱、線延遲計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 計(jì)算機(jī)輔助制造CAM計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃 Computer Aided Process Planning CAPP計(jì)算機(jī)輔助工程 Computer Aided Engineering CAE計(jì)算機(jī)輔助教學(xué) Computer Assisted Instruction CAI 科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理 工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)辦公自動(dòng)化和管理信息系統(tǒng) Computer Aided DesignCAD,CAM,CIMS Computer Aided Manufacturing多媒體技術(shù) Computer Integrated Manufacturing System人工智能,模式識(shí)別,文字/語(yǔ)音識(shí)別,語(yǔ)言翻譯,專家系統(tǒng),機(jī)器人…二, 數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算(一) 數(shù)制與編碼1. 進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換1)進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制是指按照進(jìn)位制的方法表示數(shù),不同的數(shù)制均涉及兩個(gè)基本概念:基數(shù)和權(quán). 基數(shù):進(jìn)位計(jì)數(shù)制中所擁有數(shù)字的個(gè)數(shù).權(quán):每位數(shù)字的值等于數(shù)字乘以所在位數(shù)的相關(guān)常數(shù),這個(gè)常數(shù)就是權(quán).任意一個(gè)R進(jìn)制數(shù)X,設(shè)整數(shù)部分為n位,小數(shù)部分為m位,則X可表示為:X＝an1rn1 + an2rn2 + ┅ + a0r0 + a1r1 + a2r2 + ┅ + amrm(X)r = 2)不同數(shù)制間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 (1)二,八,十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù) 利用上面講到的公式: (N)2=∑Di?2i ,(N)8=∑Di?8i, (N)16=∑Di?16i,進(jìn)行計(jì)算.(2)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)通常要對(duì)一個(gè)數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行處理,各自得出結(jié)果后再合并.u 對(duì)整數(shù)部分,一般采用除2取余數(shù)法,其規(guī)則如下:將十進(jìn)制數(shù)除以2,所得余數(shù)(0或1),所得余數(shù)即為二進(jìn)制數(shù)次低位的值,如此進(jìn)行下去,直到商等于0為止,最后得的余數(shù)是所求二進(jìn)制數(shù)最高位的值.u 對(duì)小數(shù)部分,一般用乘2取整數(shù)法,其規(guī)則如下:將十進(jìn)制數(shù)乘以2,所得乘積的整數(shù)部分即為對(duì)應(yīng)二進(jìn)制小數(shù)最高位的值,然后對(duì)所余數(shù)的小數(shù)部分部分乘以2,所得乘積的整數(shù)部分為次高位的值,如此進(jìn)行下去,直到乘積的小數(shù)部分為0,或結(jié)果已滿足所需精度要求為止.(3)二進(jìn)制數(shù),八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)是從二進(jìn)制數(shù)演變而來(lái)的:由3位二進(jìn)制數(shù)組成1位八進(jìn)制數(shù)。G(x)+R(x)]+R(x) =[Q(x)當(dāng)真值為正時(shí),原碼,補(bǔ)碼和反碼的表示形式均相同,即符號(hào)位用“0”表示,數(shù)值部分與真值部分相同 2)原碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算。[Y]原= (X0⊕Y0)∣(X1 X2 …Xn)(3) Yn+1 ,Yn =1( Yn+1 Yn =01) ,部分積加[－X]補(bǔ),右移1位 最后一步不移位.(2)兩位乘法1原碼兩位乘法,因此實(shí)際操作用Yi1,Yi,C三位來(lái)控制,運(yùn)算規(guī)則如下Yi1 Yi C操作0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 +0, 右移2位 0→C +X, 右移2位 0→C +X, 右移2位 0→C +2X, 右移2位 0→C +2X, 右移2位 0→C X, 右移2位 1→C X, 右移2位 1→C +0, 右移2位 1→C 2補(bǔ)碼兩位乘法根據(jù)前述的布斯算法,將兩步合并成一步,即可推導(dǎo)出補(bǔ)碼兩位乘的公式.Yni1 Yni Yni+1[Pi+2]補(bǔ) 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +0, 右移2位 +[X]補(bǔ), 右移2位 +[X]補(bǔ), 右移2位 +2[X]補(bǔ), 右移2位 2[X]補(bǔ), 右移2位 [X]補(bǔ), 右移2位 [X]補(bǔ), 右移2位 +0, 右移2位 求部分積的次數(shù)和右移操作的控制問(wèn)題. 當(dāng)乘數(shù)由1位符號(hào)位和以n(奇數(shù))位數(shù)據(jù)位組成時(shí),求部分積的次數(shù)為(1＋n)／2,而且最后一次的右移操作只右移一位. 若數(shù)值位本身為偶數(shù)n,可采用下述兩種方法之一:①可在乘數(shù)的最后一位補(bǔ)一個(gè)0,乘數(shù)的數(shù)據(jù)位就成為奇數(shù),而且其值不變,求部分積的次數(shù)為1+(n+l)/2,即n/2＋1,最后一次右移操作也只右移一位.②乘數(shù)增加一位符號(hào)位,使總位數(shù)仍為偶數(shù),此時(shí)求部分積的次數(shù)為n/2+1,而且最后一次不再執(zhí)行右移操作.(3)補(bǔ)碼除法筆算除法和機(jī)器除法的比較筆算除法機(jī)器除法商符單獨(dú)處理符號(hào)位異或形成心算上商余數(shù) 不動(dòng) 低位補(bǔ)“0”減右移一位 的除數(shù)余數(shù) 左移一位 低位補(bǔ)“0”減 除數(shù)2 倍字長(zhǎng)加法器1 倍字長(zhǎng)加法器上商位置 不固定在寄存器 最末位上商1定點(diǎn)原碼一位除法1恢復(fù)余數(shù)法被除數(shù)(余數(shù))減去除數(shù),如果為0或者為正值時(shí),上商為1,不恢復(fù)余數(shù)。如果上次商上0,如果余數(shù)與除數(shù)同號(hào)商上1,(設(shè)數(shù)值部分n位).3〉商的最后一位一般采用恒置1的辦法,并省略了最低+.5)溢出概念和判別方法當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出機(jī)器數(shù)所能表示的范圍時(shí),兩個(gè)異號(hào)數(shù)相加或兩個(gè)同號(hào)數(shù)相減,才有可能發(fā)溢出的情況,一旦溢出,運(yùn)算結(jié)果就不正確了,:1〉當(dāng)符號(hào)相同的兩數(shù)相加時(shí),如果結(jié)果的符號(hào)與加數(shù)(或被加數(shù))不相同,則為溢出.2〉當(dāng)任意符號(hào)兩數(shù)相加時(shí),如果C=Cf,運(yùn)算結(jié)果正確,其中C為數(shù)值最高位的進(jìn)位,≠Cf ,則為溢出,所以溢出條件=C⊕Cf .3〉,當(dāng)結(jié)果的兩個(gè)符號(hào)位甲和乙不相同時(shí),= fs2⊕fs1 ,或者溢出條件= fs2fs1 + fs2fs1(三) 浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算1. 浮點(diǎn)數(shù)的表示1)浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。2E127另一方面,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,速度較快,但其占用元件較多,占硅片面積大,且功耗大,所以集成度不高.靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元2. DRAM存儲(chǔ)器的工作原理常見(jiàn)的DRAM存儲(chǔ)單元有三管式和單管式兩種,“”,電容上無(wú)電荷表示0.電容上的電荷一般只能維持12ms,因此即使電源不掉電,為保證信息的不丟失,必須在2ms之內(nèi)就要對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次恢復(fù)操作,DRAM具有集成度更高,功耗低等特點(diǎn),目前被各類計(jì)算機(jī)廣泛使用.(四) 只讀存儲(chǔ)器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀／寫的隨機(jī)存儲(chǔ)器,當(dāng)?shù)綦姇r(shí),所存儲(chǔ)的內(nèi)容消失,即使停電,分為ROM,PROM,EPROM,E2ROM和Flash Memory1. 只讀存儲(chǔ)器(ROM) 掩模式ROM由芯片制造商在制造時(shí)寫入內(nèi)容,“有／無(wú)”來(lái)表示該存儲(chǔ)單元的信息(“1”或“0”),可以用二極管或晶體管作為元件,顯而易見(jiàn),其存儲(chǔ)內(nèi)容是不會(huì)改變的.2. 可編程序的只讀存儲(chǔ)器(PROM) PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來(lái)確定ROM中的內(nèi)容,常見(jiàn)的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開(kāi)來(lái)表示所存的信息為“1”或“0”.剛出廠的產(chǎn)品,(寫入).顯而易見(jiàn),斷開(kāi)后的熔絲是不能再接通了,.3. 可擦可編程序的只讀存儲(chǔ)器(EPROM)為了能修改ROM中的內(nèi)容,信息改寫用紫外線照射即可擦除.4. 可電擦可編程序只讀存儲(chǔ)器(E2PROM) E2PROM的編程序原理與EPROM相同,擦除原理完全不同,重復(fù)改寫次數(shù)有限制(因氧化層被磨損),一般10萬(wàn)次. 其讀寫操作可按每個(gè)位或每個(gè)字節(jié)進(jìn)行,類似SRAM,但每字節(jié)的寫入周期要幾毫秒,因此具有電擦除功能. 5. 快除讀寫存儲(chǔ)器(Flash Memory) F1ash Memory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其讀寫過(guò)程和E2PROM不同,F1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為單位.(五) 主存儲(chǔ)器與CPU的連接1個(gè)存儲(chǔ)器的芯片的容量是有限的,它在字?jǐn)?shù)或字長(zhǎng)方面與實(shí)際存儲(chǔ)器的要求都有很大差距,N位,若使用LK位存儲(chǔ)器芯片,那么,這個(gè)存儲(chǔ)器共需要M/LN/K存儲(chǔ)器芯片.1．位擴(kuò)展 ,片選己,讀寫控制端R/W可相應(yīng)并聯(lián),數(shù)據(jù)端分別引出.2)字?jǐn)U展 字?jǐn)U展指的是增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量. 靜態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行字?jǐn)U展時(shí),將各芯片的地址線,數(shù)據(jù)線,讀寫控制線相應(yīng)并聯(lián),而由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各芯片的地址范圍. 3)字位擴(kuò)展 實(shí)際存儲(chǔ)器往往需要字向和位向同時(shí)擴(kuò)充.(六) 雙口RAM和多模塊存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器是一種具有兩個(gè)單獨(dú)的讀/寫端口及控制電路的存儲(chǔ)器,通過(guò)增加一個(gè)讀/寫端口,雙端口存儲(chǔ)器擴(kuò)展了存儲(chǔ)器的的信息交換能力.為了解決CPU與主存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題,在高速存儲(chǔ)器中,(位擴(kuò)展,字?jǐn)U展,字位擴(kuò)展)的方法,將n個(gè)字長(zhǎng)為W位的存儲(chǔ)器并行連接,多體并行方式和多體交叉方式.(七) 高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache實(shí)際上,這是來(lái)自法文的一個(gè)單詞,意思是隱蔽之所或藏東西的地方)概述1. 問(wèn)題的提出避免 CPU “空等” 現(xiàn)象CPU 和主存(DRAM)的速度差異1. 程序訪問(wèn)的局部性從大量的統(tǒng)計(jì)中得到的一個(gè)規(guī)律是,程序中對(duì)于存儲(chǔ)空間90%的訪問(wèn)局限于存儲(chǔ)空間的10%的區(qū)域中,而另外10%的訪問(wèn)則分布在存儲(chǔ)空間的其余90%:時(shí)間局部性:如果一個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)被訪問(wèn),則可能該項(xiàng)會(huì)很快被再次訪問(wèn). 空間局部性:如果一個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)被訪問(wèn),則該項(xiàng)及其鄰近的項(xiàng)也可能很快被訪問(wèn).2. Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成,:處理機(jī)按主存地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器地址的高段通過(guò)主存Cache地址映象機(jī)構(gòu)借助查表判定該地址的存儲(chǔ)單元是否在Cache中,如果在,則Cache命中,Cache不命中,則需要訪問(wèn)主存,并從主存中調(diào)入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊到Cache中,若Cache中已寫滿,則要按某種算法將Cache中的某一塊替換出去,并修改有關(guān)的地址映象關(guān)系.從這個(gè)工作原理我們可以看出,然后是替換的問(wèn)題.. 3. Cache和主存之間的映射方式因?yàn)樘幚頇C(jī)訪問(wèn)都是按主存地址訪問(wèn)的,而Cache的空間遠(yuǎn)小于主存,如何知道這一次的訪問(wèn)內(nèi)容是不是在Cache中,在Cache中的哪一個(gè)位置呢? 這就需要地址映象,(空間)與主存中若干塊相對(duì)應(yīng),如此,訪問(wèn)一個(gè)主存地址時(shí),:直接映象,全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象. ,主存中存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個(gè)位置,這是固定的,若這個(gè)位置已有數(shù)據(jù),則產(chǎn)生沖突,原來(lái)的塊將無(wú)條件地被替換出去.,.組相聯(lián)映象指的是將存儲(chǔ)空間的頁(yè)面分成若干組,各組之