计算机组成原理课件

1、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科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理2计算机组成原理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、计算机网络计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理3学习目的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、计算机专家计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院

2、计算机组成原理计算机组成原理4主要教学内容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/输出设备和总线计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理5学习目标学习目标掌握单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计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理6教学环节和学习方法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计算机科学与技术学院

3、计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理7考评办法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/2Then 总评成绩=考试成绩*40%+Project成绩*50%+作业成绩*10%Else 总评成绩=考试成绩计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理8Project评分标准评分标准自由组合、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

4、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计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理9教材和参考书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

5、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计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理10计算机里有什么？计算机里有什么？计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理11计算机基本组成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CPUData PathControllerMemoryI/O计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理12现代计算

6、机现代计算机功能部件CPUData PathControllerMemoryI/OIntel Pentium计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理13计算机运行机制计算机运行机制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。ComputerMemo

7、ryInputOutputControl计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理14Von Neumann计算机计算机ProcessorVon Neumann Machine计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理15DatapathMemoryI/O计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理16Bus-Based Computer计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理17Anatomy of a Modern PC计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算

8、机组成原理18MultiprocessorsIBM ASCI White: 8K processors, 13 Tflops计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理19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）设计设备制造计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理20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计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理21计算机组成原理计算机组成原理计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理22L

9、evels of RepresentationHigh Level Language Program (e.g., C)Assembly Language Program (e.g.,MIPS)Machine Language Program (MIPS)Control Signal SpecificationCompilerAssemblerMachine Interpretationtemp = 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

10、 0101 10001010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111 计算机组成计算机组成计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理23A Six-Level Computer计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理24Multilevel Machine计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理25Evolution o

11、f Multilevel MachinesBare hardwareMicroprogrammingOperating systemCompilersHardware / software interfaceSimple ISACISCRISC计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理26Computer GenerationsGen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s)Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959) Gen-2: Transistors (1960-1968) John Bardee

12、n, 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？ 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理27古代及近代计算技术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（Differe

13、ntial 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，第一位程序员计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理28图灵机图灵机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。T

14、uring测试计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理29图灵机（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 +1Q计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理30Turing机特点机特点通用计算机：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

15、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。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理31Vannevar 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之父计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理32现代计算机的里程碑现代计算机的里程碑年年代代机机器器名名称称制制造造者者说说明明1834Analytical EngineBabbage建造数字计算机的第一次尝试1936Z1Zuse第一台使用继电器的计算机器1943COLOSS

16、US英国政府第一台电子计算机1944Mark IAiken第一台美国通用计算机1946ENIAC IEckert/Mauchley现代计算机历史从它开始1949EDSACWilkes第一台存储程序的计算机1951Whirlwind IM.I.T.第一台实时计算机1952IASVon Neumann大多数现代计算机还用的设计1960PDP-1DEC第一台小型机（销售 50 台）19611401IBM非常流行的小型商用机19627094IBM60 年代早期的主流科学计算用机1963B5000Burroughs面向高级语言设计的第一台计算机1964360IBM系列机的第一个产品19646600CDC

17、第一台用于科学计算的超级计算机1965PDP-8DEC第一台占领市场的小型机（销售 50，000 台）1970PDP-11DEC70 年代的主导小型机19748080Intel第一台在一个芯片上的 8 位计算机1974CRAY-1Cray第一台向量超级计算机1978VAXDEC第一台 32 位超级小型计算机1981IBM PCIBM开创现代个人计算机新纪元1985MIPSMIPS第一台商用 RISC 机1987SPARCSun第一台基于 SPARC 的 RISC 工作站1990RS6000IBM第一台超标量体系结构计算机计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理33

18、第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机ENIACElectronic 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计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理34Von Neumann机机IAS现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件将程序和数据

19、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。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理35第一台小型计算机：第一台小型计算机：PDP-11957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！计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 计算机组成原理计算机组成原理36第一个系列计算机：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