计算机组成原理课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,计算机科学与技术学院 计算机组成原理,*,计算机组成原理,,第一单元 第一讲,,学习目的和方法,,计算机发展简史,计算机组成原理,,学分：4,,学时：64+32,,先修课程：,,数字逻辑、高级语言程序设计,,后续课程：,,操作系统、系统结构、编译原理、计算机网络…,,,2,学习目的,,了解计算机的组成,,五大组成部件,,掌握计算机的运行原理,,计算机为什么能执行高级语言程序,,了解现代计算机中的一些核心技术,,流水、Cache、并行,,培养设计计算机的技能,,提高编程能力,,成为计算机科学家、计算机专家,,,,3,主要教学内容,,计算机的层次结构,,运算器的功能、组成和基本运行原理,,控制器的功能、组成和运行原理,,存储器及层次存储器系统,,输入/输出设备和总线,,,4,学习目标,,掌握单CPU计算机的完整硬件组成,,基本运行原理,,内部运行机制,,了解计算机系统的最新发展,,达到能独立设计一台完整计算机的水平,,知识和能力两方面都提高,,5,教学环节和学习方法,,课堂讲授,,阅读参考资料,,思考,,习题,,完成实验及报告,,讨论和总结,,考试,,博学,,审问,,慎思,,明辨,,笃行,6,考评办法,,习题和作业,,作业缺交2次（含），作业成绩为0,,发现抄袭现象，作业成绩为0。

若作业成绩为0，则考试无效作业要求上交手写版，不接受电子版和打印版,,实验和报告,,实验报告可按照要求，提交电子版,,考试,,总成绩评定,,If 考试成绩>=全年级考试成绩的平均值/2,,Then 总评成绩=考试成绩*40%+Project成绩*50%+作业成绩*10%,,Else 总评成绩=考试成绩,,7,Project评分标准,,自由组合、原则上按组给成绩,,达到基本要求，成绩为80分,,独立实现全部规定指令及指定的扩展指令（微程序和组合逻辑两种控制器）,,独立完成实验报告,,鼓励在任何方面，尤其是硬件方面的扩展（最多20分）,,中断、I/O等,,监控程序修改、完善,,任何其他有特色的创新,,课堂交流,,8,教材和参考书,,教材,,《计算机组成与设计》 王诚著 清华大学出版社,,《计算机组成与设计实验指导》(第2版) 王诚著 清华大学出版社,,参考书目,,《计算机组成与结构》刘卫东 编 机械工业出版社,,《计算机组成—结构化方法》 刘卫东 宋佳兴 徐恪译,,人民邮电出版社,,Computer Organization & Design The hardware/software interface,,机械工业出版社,,Computer organization and architecture Designing for performance,,,清华大学出版社,,,其他阅读材料,9,计算机里有什么？,,10,计算机基本组成,,构成计算机的基础理论大部分已经有50年了。

目前，计算机的关键部件也没有大的改变,,CPU,,Data Path,,Controller,,Memory,,I/O,11,现代计算机,,功能部件,,CPU,,Data Path,,Controller,,Memory,,I/O,Intel Pentium,12,计算机运行机制,,,Datapath,: 完成算术和逻辑运算，通常包括其中的寄存器Control,: CPU的组成部分，它根据程序指令来指挥datapath， memory以及I/O运行，共同完成程序功能Memory,: 存放运行时程序及其所需要的数据的场所Input,: 信息进入计算机的设备，如键盘、鼠标等Output,: 将计算结构展示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机、喇叭等Computer,,Memory,Input,Output,Datapath,Control,13,Von Neumann计算机,,Processor,Von Neumann Machine,14,Datapath,Memory,I/O,15,Bus-Based Computer,,16,Anatomy of a Modern PC,,17,Multiprocessors,,IBM ASCI White: 8K processors, 13 Tflops,18,计算机剖析,计算机系统,计算机结构,计算机处理器,逻辑设计,电路（VLSI）设计,设备制造,19,计算机剖析（续）,计算机系统,计算机结构,计算机处理器,高级语言,汇编语言,机器语言,20,计算机组成原理,,21,Levels of Representation,High Level Language Program (e.g., C),Assembly Language Program (e.g.,MIPS),Machine Language Program (MIPS),Control Signal Specification,Compiler,Assembler,Machine Interpretation,temp = v[k];,,v[k] = v[k+1];,,v[k+1] = temp;,lw $to, 0($2),,lw $t1, 4($2),,sw $t1, 0($2),,sw $t0, 4($2),0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000,,1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110,,1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001,,0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111,,°,,°,计算机组成,22,A Six-Level Computer,,23,Multilevel Machine,24,Evolution of Multilevel Machines,,Bare hardware,,Microprogramming,,Operating system,,Compilers,,Hardware / software interface,,Simple ISA,,CISC,,RISC,25,Computer Generations,,Gen-0,: Mechanical computers (BC to early 1940s),,Gen-1:,Vacuum Tubes (1943-1959),,Gen-2:,Transistors (1960-1968),,John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley,,Gen-3:,Integrated Circuits (1969-1977),,Jack Kilby (1958),,Gen-4:,VLSI (1978-present),,Gen-5,: Optical?,,Quantum?,,生物？,,,,26,古代及近代计算技术,公元前500年，中国出现算盘,1642年，Blaise Pascal发明自动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果,1822年，Charles Babbage，微分机（Differential Engie）,1833年，分析机（Analytical Engine），通用机器,16世纪，Alkhowarizmi,,提出算法概念，并出版以算法（Algorithm）,为题的书籍,Ada Augusta Lovelace，第一位程序员,27,图灵机,,1937年，Alan Turing提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。

存储程序的思想，使计算机从专用走向通用正是这一创新，开创了计算机的新时代50年代，Turing提出了“智能”计算机的概念Turing测试,28,图灵机（Turing Machine),,确定型图灵机,,* 有穷符号集 P,,* 有穷状态集 Q,,* 转移函数,,,F：Q P —,,Q { -1， +1 },,通用机(,Universal Machine,)概念,有限状态,,控制器,P,读写头,带,-4 -3 -2 -1 0 +1,Q,29,Turing机特点,,通用计算机：,并不是保存所有问题的结果存储程序计算机：,问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述有限速度：,计算机执行程序的时间是有限的有限空间：,计算机程序的存放空间和数据存放空间也是有限的是现代计算机的鼻祖30,Vannevar Bush:Memex,,保存有10亿本图书的书柜,,可按照人们的需要，对图书进行照相,,甚至可以记录人们的声音,,保存并共享人类历史上的知识,,Web之父,,31,现代计算机的里程碑,32,第一台通用电子计算机ENIAC,Electronic Numerical and Integrate Calculator,,Mauchly and Eckert,设计,,1946年2月14日,,第一台通用电子计算机，设计用于计算火炮的弹道,,重30吨，占地15000平方英尺，18000个电子管，耗电 140KW,运算速度：5000次加法/秒,,使用十进制数,,20个寄存器，每个存放10位的十进制数,,通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程,33,Von Neumann机IAS,现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件,,将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。

采用二进制数据：简化了存储器,,只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置34,第一台小型计算机：PDP-1,1957年由DEC公司生产,,第二代计算机（晶体管）,,18位字长，4K内存，机器周期为5微秒,,售价120000美元售出50台开创了计算机产业！,,,35,第一个系列计算机：IBM 360,,第三代计算机,,计算机应用：科学计算和商务处理,,如何在不同的硬件平台上运行相同的软件？,,系列计算机：IBM 360,,计算机系统结构：程序员眼中的计算机具有相同系统结构的计算机可以运行相同的程序微程序控制器,36,应用的普及：IBM PC机,37,RISC计算机,,精简指令系统计算机,,指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成,,提高计算机的运行速度,38,下一代计算机,,Babbage：更快、更高、更强,,Turing：智能计算机,,Bush：信息网格,,,,？？？？？？？？,,39,小结,,学习方法,,博学 审问 慎思 明辨 笃行,,计算机组成原理,,单台计算机完整的硬件系统的基本原理与内部运行机制,,计算机的层次结构,,理解计算机系统和结构的钥匙,,计算机的发展历史,,以史为鉴，可知兴替，可明得失。

40,课程信息,,用FPGA实现带指令流水的教学计算机,,5到6名同学，可顶替大实验,,使用FPGA实现CPU，要求实现5级流水,,兼容现在的TEC-2000,,进行性能分析,,各班课代表,,在下周一之前，把联系方式用邮件发给我（姓名、班号、学号、、E_mail）,,请和你们班的助教建立联系,,留学生请选出一个课代表,,,41,作业,,阅读：《结构化计算机组成》第1章、,,What Next,,思考：计算机发展历史经验和今后的方向。