【正文】 戶根據(jù)用戶的特殊要求編制的應(yīng)用程序,這類軟件通常實現(xiàn)用戶的某類要求.3. 計算機的工作過程(1)計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程 指令由操作碼和操作數(shù)組成:操作碼地址碼 操作碼指明本指令完成的操作地址碼指明本指令的操作對象(2)指令的存儲 指令按照存儲器的地址順序連續(xù)的存放在存儲器中.(3)指令的讀取 為了紀錄程序的執(zhí)行過程,需要一個記錄讀取指令地址的寄存器,稱為指令地址寄存器,由于指令通常按照地址增加的順序存放,故此,每次讀取一條指令之后,程序計數(shù)器加一就為讀取下一條指令做好準備.(4)執(zhí)行指令的過程 在控制器的控制下,完成以下三個階段任務(wù):1)取指令階段 按照程序計數(shù)器取出指令,程序計數(shù)器加一2)指令譯碼階段 分析操作碼,決定操作內(nèi)容,并準備操作數(shù)3)指令執(zhí)行階段 執(zhí)行操作碼所指定內(nèi)容(三) 計算機性能指標1. 吞吐量,響應(yīng)時間(1) 吞吐量:單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出數(shù)量.(2) 響應(yīng)時間:從事件開始到事件結(jié)束的時間,也稱執(zhí)行時間.2. CPU時鐘周期,主頻,CPI,CPU執(zhí)行時間(1) CPU時鐘周期:機器主頻的倒數(shù),TC(2)主頻:CPU工作主時鐘的頻率,機器主頻Rc(3)CPI:執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期(4)CPU執(zhí)行時間: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鐘周期數(shù) TC時鐘周期時間的長度3. MIPS,MFLOPS(1)MIPS:(Million Instructions Per Second) Te:執(zhí)行該程序的總時間=指令條數(shù)/(MIPS)In:執(zhí)行該程序的總指令數(shù)Rc:時鐘周期Tc的到數(shù) MIPS只適合評價標量機,可以得到多個運算結(jié)果.(2) MFLOPS: (Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te)Ifn:程序中浮點數(shù)的運算次數(shù),同一程序運行在不同的計算機上時往往會執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù),但所執(zhí)行的浮點數(shù)個數(shù)常常是相同的.特點：1. MFLOPS取決于機器和程序兩方面,不能反映整體情況,只能反映浮點運算情況2. 同一機器的浮點運算具有一定的同類可比性,而非同類浮點操作仍無可比性當前微處理器的發(fā)展重點①進一步提高復(fù)雜度來提高處理器性能②通過線程進程級的并發(fā)性提高處理器性能③將存儲器集成到處理器芯片來提高處理器性能④發(fā)展嵌入式處理器軟件開發(fā)有以下幾個特點1) 開發(fā)周期長2) 制作成本昂貴3) 檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性計算機的展望一、計算機具有類似人腦的一些超級智能功能 要求計算機的速度達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? 按幾何級數(shù)遞增的制作成本? 芯片的功耗、散熱、線延遲計算機輔助設(shè)計CAD 計算機輔助制造CAM計算機輔助工藝規(guī)劃 Computer Aided Process Planning CAPP計算機輔助工程 Computer Aided Engineering CAE計算機輔助教學(xué) Computer Assisted Instruction CAI 科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理 工業(yè)控制和實時控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實辦公自動化和管理信息系統(tǒng) Computer Aided DesignCAD,CAM,CIMS Computer Aided Manufacturing多媒體技術(shù) Computer Integrated Manufacturing System人工智能,模式識別,文字/語音識別,語言翻譯,專家系統(tǒng),機器人…二, 數(shù)據(jù)的表示和運算(一) 數(shù)制與編碼1. 進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換1)進位計數(shù)制進位計數(shù)制是指按照進位制的方法表示數(shù),不同的數(shù)制均涉及兩個基本概念:基數(shù)和權(quán). 基數(shù):進位計數(shù)制中所擁有數(shù)字的個數(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),這個常數(shù)就是權(quán).任意一個R進制數(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)二,八,十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù) 利用上面講到的公式: (N)2=∑Di?2i ,(N)8=∑Di?8i, (N)16=∑Di?16i,進行計算.(2)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)通常要對一個數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行處理,各自得出結(jié)果后再合并.u 對整數(shù)部分,一般采用除2取余數(shù)法,其規(guī)則如下:將十進制數(shù)除以2,所得余數(shù)(0或1),所得余數(shù)即為二進制數(shù)次低位的值,如此進行下去,直到商等于0為止,最后得的余數(shù)是所求二進制數(shù)最高位的值.u 對小數(shù)部分,一般用乘2取整數(shù)法,其規(guī)則如下:將十進制數(shù)乘以2,所得乘積的整數(shù)部分即為對應(yīng)二進制小數(shù)最高位的值,然后對所余數(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)二進制數(shù),八進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換八進制數(shù)和十六進制數(shù)是從二進制數(shù)演變而來的:由3位二進制數(shù)組成1位八進制數(shù)。. . . .計算機組成原理一, 計算機系統(tǒng)概述(一) 計算機發(fā)展歷程,1500繼電器,重30噸,占地170m2,耗電140kw,?諾依曼(VanNeumann)首次提出存儲程序概念,將數(shù)據(jù)和程序一起放在存儲器,雖然對馮?諾依曼機進行很多改革,但結(jié)構(gòu)變化不大,仍稱馮?諾依曼機.一般把計算機的發(fā)展分為五個階段:發(fā)展階段時間硬件技術(shù)速度/(次/秒)第一代19461957電子管計算機時代40 000第二代19581964晶體管計算機時代200 000第三代19651971中小規(guī)模集成電路計算機時代1 000 000第四代19721977大規(guī)模集成電路計算機時代10 000 000第五代1978現(xiàn)在超大規(guī)模集成電路計算機時代100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)電子數(shù)字積分機和計算機 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)電子離散變量計算機 組成原理是講硬件結(jié)構(gòu)的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是講結(jié)構(gòu)設(shè)計的 摩爾定律 . 每代芯片的成本大約為前一代芯片成本的兩倍 新摩爾定律 全球入網(wǎng)量每6個月翻一番. 數(shù)學(xué)家馮由4位二進制數(shù)組成1位十六進制數(shù).對一個兼有整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)以小數(shù)點為界,小數(shù)點前后的數(shù)分別分組進行處理,不足的位數(shù)用0補足.對整數(shù)部分將0補在數(shù)的左側(cè),.2. 真值和機器數(shù)真值:數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正(+)負()號后跟絕對值來表示,稱之為“真值”. 機器數(shù):在計算機中正負號也需要數(shù)字化,一般用0表示正號,.3. BCD碼(Binary Coded Decimal以二進制編碼的十進制碼),從中選出10種來表示十進制數(shù)位的0～9,用0000,0001,…,1001分別表示0,1,…,9,每個數(shù)位內(nèi)部滿足二進制規(guī)則,而數(shù)位之間滿足十進制規(guī)則,故稱這種編碼為“以二進制編碼的十進制(binary coded decima1,簡稱BCD)碼”.在計算機內(nèi)部實現(xiàn)BCD碼算術(shù)運算,要對運算結(jié)果進行修正,對加法運算的修正規(guī)則是: 如果兩個一位BCD碼相加之和小于或等于(1001)2,即(9)10,不需要修正。當真值為負時,原碼,補碼和反碼的表示形式不同,其它符號位都用“1”表示,而數(shù)值部分有這樣的關(guān)系,即補碼是原碼的“求反加1”,反碼是原碼的“每位求反”.2. 定點數(shù)的運算1)定點數(shù)的位移運算左移,絕對值擴大。(Y1 Y2 …Yn)符號∣表示把符號位和數(shù)值鄰接起來. 原碼兩位乘和原碼一位乘比較原碼一位乘原碼兩位乘符號位操作數(shù)絕對值絕對值的補碼移位邏輯右移算術(shù)右移移位次數(shù)n最多加法次數(shù)n2定點補碼一位乘法有的機器為方便加減法運算,: [X浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù),通常以下式表示: N=MRE其中,N為浮點數(shù),M(Mantissa)為尾數(shù)(可正可負),E(Exponent)為階碼(可正可負),R(Radix)稱為“階的基數(shù)(底)”,而且R為一常數(shù),一般為2,所有數(shù)據(jù)的R都是相同的,浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式:浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式:MsEM 1位 n+1位 m位Ms是尾數(shù)的符號位,設(shè)置在最高位上.E為階碼(移碼),有n+1位,一般為整數(shù),其中有一位符號位,設(shè)置在E的最高位上,用來表正階或負階.M為尾數(shù)(原碼),有m位,=0,表示正號,Ms=1,:當R＝2,且尾數(shù)值不為0時,其絕對值大于或等于(),通過將尾數(shù)左移或右移,并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求.浮點數(shù)的表示范圍以通式N=MRE設(shè)浮點數(shù)階碼的數(shù)值位取m位,尾數(shù)的數(shù)值位取n位2)IEEE754標準(Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程協(xié)會)S階碼(含階符)尾 數(shù)數(shù)符 小數(shù)點位置根據(jù)IEEE 754國際標準,常用的浮點數(shù)有三種格式:符號位S階碼尾數(shù)總位數(shù)短實數(shù)182332長實數(shù)1115264臨時實數(shù)1156480單精度格式32位,階碼為8位,處在最高位.由于IEEE754標準約定在小數(shù)點左部有一位隱含位, .例如,…0,…,可省去. 階碼部分采用移碼表示,移碼值127,1到254經(jīng)移碼為126到+127.S(1位)E(8位)M(23位)N(共32位)符號位000符號位0不等于0(1)S如果裝入位為假時,表示該頁不在存儲器中,就產(chǎn)生頁失效中斷,需從外存調(diào)入頁.中斷處理時先通過外部地址變換,一般通過查外頁表,將虛地址變換為外存中的實際地址,到外存中去選頁,然后通過I/.,每次訪存都要讀頁表,如果頁存放在主存中,就意味著訪存時間至少是兩次訪問主存的時間,虛擬存儲器才能實用.根據(jù)訪存的局部性,可能只用表中的很少幾項,因此應(yīng)重點提高使用概率高的這部分頁表的訪問速度,可用快速硬件構(gòu)成全表小得多的部分表格,而將整個表格放在主存中,虛地址到實地址的變換方法如后圖所示.查表時,根據(jù)虛頁表同時查找快表和慢表,當在快表中查到該虛頁號時,就能很快找到對應(yīng)的實頁號,將其送入主存實地址寄存器,同時使慢表的查找作廢,這時主存的訪問速度沒降低多少.如果在快表中查不到,則經(jīng)過一個訪主存的時間延遲后,將從慢表中查到的實頁送入實地址寄存器,同時將此虛頁號和對應(yīng)的實頁號送入快表,這里也涉及到用一個替換算法從快表中替換出一行.快表的存在對所有的程序員都是透明的.軟磁盤存儲器硬盤軟盤速度高低磁頭固定、活動、浮動活動、接觸盤片盤片固定盤、盤組大部分不可換可換盤片價格高低環(huán)境苛刻四, 指令系統(tǒng)人們習(xí)慣把每一條機器語言的語句稱為機器指令,而又將全部機器指令的集合稱為機器的指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行過程 讀取指令 指令地址(在PC中)送到地址寄存器 讀主存,讀出內(nèi)容(指令代碼)送入指令寄存器IR 分析指令 形成下一條指令的地址并送到PC中 執(zhí)行指令 用一到幾個執(zhí)行步驟,完成指令的運算、操作功能, 不同的指令操作步驟和具體運算、操作功能各不相同 減產(chǎn)有無中斷請求 無中斷請求、進入下一條指令的執(zhí)行過程 (一) 指令格式1. 指令的基本格式,操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作,一條指令必須包含下列信息: (1)操作碼,具體說明了操作的性質(zhì)及功能. (2)操作數(shù)的地址. (3)操作結(jié)果的存儲地址. (4)下一條指令的地址. 從上述分析可知,一條指令實際上包括兩種信息即操作碼和地址碼.操作碼(operation code)用來表示該指令所要完成的操作(如加,減,乘,除,數(shù)據(jù)傳送等),則該機器最多包含27=128條指令.地址碼用來描述該指令的操作對象,或直接給出操作數(shù)或指出操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址(即寄存器名).操作碼的長度不固定會增加指令譯碼和分析難度,使控制器的設(shè)計復(fù)雜.操作碼尋