计算机组成原理课件

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=vk;,vk=vk+1;,vk+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,。,P,。,-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、电话、,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。,42,