计算机组成原理剖析教学文稿

1、计算机组成原理剖析计算机组成原理剖析助教助教 研究生助教研究生助教 翁琴翁琴 研究方向：开源软件可靠性模型研究研究方向：开源软件可靠性模型研究 负责课程内容答疑、随堂测试、作业的批改负责课程内容答疑、随堂测试、作业的批改 联系方式：联系方式：QQ：2294578808 本科生助教本科生助教 史少帅史少帅 负责自主实验答疑负责自主实验答疑 联系方式：联系方式：QQ: 609714709课课 程程 概概 貌貌 讲授内容讲授内容 基本部件的结构和组织方式基本部件的结构和组织方式 基本运算的操作原理基本运算的操作原理 基本部件和单元的设计思想基本部件和单元的设计思想 特色特色 计算机组成的一般原理，不

2、以具体机型为依托计算机组成的一般原理，不以具体机型为依托 采用自顶向下的方式、层层细化采用自顶向下的方式、层层细化 教材教材 唐朔飞唐朔飞. 计算机组成原理（第计算机组成原理（第2版）版）.高等教育高等教育出版社出版社参考教材 David A. Patterson, John L. Hennessy. Computer Organization & Design: A Hardware/Software Interface David M. Harris, Sarah L. Harris. Digital Design and Computer Architecture 本课程在课程体

3、系中的地位本课程在课程体系中的地位数据结构数据结构应用基础应用基础C语言编程语言编程存储管理存储管理调度调度并发并发代码生成代码生成优化优化计算机体系计算机体系结构结构基本逻辑单元基本逻辑单元处理器基本知识处理器基本知识数字逻辑数字逻辑计算机组成计算机组成原理原理如何实现如何实现具体细节具体细节知其然知其然1.分析评测分析评测知其所以然知其所以然2.并行计算机系并行计算机系统结构入门统结构入门教学模式：采用理论和实践相结合的方法进行教学教学模式：采用理论和实践相结合的方法进行教学5252学时课堂教学学时课堂教学1212学时上机实验学时上机实验课程的考核课程的考核期末考试期末考试 60%60%上

4、机实验上机实验 20%20%随堂测试和作业随堂测试和作业10%10%自主实验自主实验 10%10%答疑安排：答疑安排：加入加入QQ QQ 群（群号：群（群号：115718359115718359），推荐！），推荐！每周五下午每周五下午2 2点半点半-5-5点，综合楼点，综合楼510510考核安排考核安排期末考试期末考试 60%60% 上机实验上机实验 20%20% 随堂测试随堂测试 5%5%，一共六次，每次，一共六次，每次1 1分，分，5 5次则满分次则满分作业作业 5%5%，读书报告、课后作业，读书报告、课后作业自主实验、出题自主实验、出题 10%10%，分组完成，具体见群文件，分组完成，具

5、体见群文件第第章章 计算机系统概论计算机系统概论第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 本书结构本书结构1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.1 计算机系统简介计算机系统简介 现代计算机的多态性现代计算机的多态性来自于国立台湾大学郭斯彦来自于国立台湾大学郭斯彦教授讲稿教授讲稿跑得最快的计算机跑得最快的计算机（截止（截止2015年年11月）月）Rank Site 国家国家 System 名称名称 Cores R m a x (TFlop/s) R p e a k (TFlop/s) 1Nati

6、onal Super Computer Center in GuangzhouChinaTianhe-2 (MilkyWay-2) - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E5-2692 12C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P中国国防科技大学中国国防科技大学3,120,000 33,862.7 54,902.42 D O E / S C / O a k Ridge National Laboratory United States Titan- Cray XK7 , Opteron 6274 16C 2.2GH

7、z, Cray Gemini interconnect, NVIDIA K20 x 制造商：制造商：Cray Inc.克雷公司克雷公司 所属：美国能源部所属：美国能源部Oak Ridge国家实验室国家实验室 560,640 17,590.0 27,112.5 3 DOE/NNSA/LLNL United States Sequoia- BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom 制造商：制造商：IBM 所属：美国能源部、美国国家核安全管理局所属：美国能源部、美国国家核安全管理局 1,572,864 17,173.2 20132.7 4RIKEN Adv

8、anced Institute for Computational Science (AICS) Japan K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect 制造商：制造商：Fujitsu 富士通富士通 所属：日本计算科学研究机构所属：日本计算科学研究机构 705,024 10510.0 11280.4 5 DOE/SC/Argonne N a t i o n a l Laboratory United States Mira- BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60GHz, Custom 制造商：制造商：IBM

9、所属：美国能源部所属：美国能源部/ SC /Argonne国家实验室国家实验室IB 786,432 8,586.6 10066.3 Tianhe-2Site:National Super Computer Center in GuangzhouManufacturer:NUDTCores:3,120,000Linpack Performance (Rmax)33,862.7 TFlop/sTheoretical Peak (Rpeak)54,902.4 TFlop/sPower:17,808.00 kWMemory:1,024,000 GBInterconnect:TH Express-2Op

10、erating System:Kylin LinuxCompiler:iccMath Library:Intel MKL-11.0.0MPI:MPICH2 with a customized GLEX channelTitan- Cray XK7Titan- Cray XK7“泰坦泰坦”是一套拥有是一套拥有200200个机柜、个机柜、1868818688个计算节点的个计算节点的Cray Cray XK7XK7超算系统，每个节点有一颗推土机架构的超算系统，每个节点有一颗推土机架构的AMD Opteron AMD Opteron 62006200十六核心处理器、一块开普勒架构的十六核心处理器、一块

11、开普勒架构的NVIDIA Tesla K20 NVIDIA Tesla K20 GPUGPU加速计算卡，整体浮点性能超过加速计算卡，整体浮点性能超过20PFlops(20PFlops(每秒钟每秒钟2 2亿亿亿亿次浮点计算次浮点计算) )，系统的性能最高可以拓展超过，系统的性能最高可以拓展超过50PFlops50PFlops。该该运算能力是前一辈超级计算机运算能力是前一辈超级计算机Jaguar Jaguar 的十倍，是普通计算的十倍，是普通计算机的机的2020万亿倍。值得一提的是，该计算机的部分部件原本是万亿倍。值得一提的是，该计算机的部分部件原本是打算应用在游戏型计算机上。打算应用在游戏型计算

12、机上。1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.1 计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、 计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标

13、程序程序结果结果翻译翻译运行运行2. 计算机的解题过程计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M0用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器

14、 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统指令系统、数据类型、寻址技术、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1. 计算机由五大部件组成计算机由五

15、大部件组成3. 指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4. 指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6. 以运算器为中心以运算器为中心2. 指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器， 可按地址寻访可按地址寻访5. 存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5. 存储程序存储程序算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算

16、器运算器控制器控制器输出设备输出设备冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1. 以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2. .现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1. .上机前的准备上机前的准

17、备 建立数学模型建立数学模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤指令指令 每每 一个步骤一个步骤三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =yn+1= =取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中= (

18、 (ax + b) )x + c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2 + bx + c编程举例编程举例000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例操作码操作码地址码地址码 打印机打印机指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于AC