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计算机组成原理课件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2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3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4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5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6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7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Project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 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计算机里有什么？计算机里有什么？10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/O11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现代计算机现代计算机功能部件CPUData PathControllerMemoryI/OIntel Pentium12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。ComputerMemoryInputOutputDatapathControl13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Von Neumann计算机计算机ProcessorVon Neumann Machine14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DatapathMemoryI/O15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Bus-Based Computer16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Anatomy of a Modern PC17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MultiprocessorsIBM ASCI White:8K processors,13 Tflops18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计算机组成原理计算机组成原理21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Levels 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 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22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A Six-Level Computer23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Multilevel Machine24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Evolution of Multilevel MachinesBare hardwareMicroprogrammingOperating systemCompilersHardware/software interfaceSimple ISACISCRISC25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Computer GenerationsGen-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？生物？26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（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。Turing测试28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 +1Q29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Turing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现代计算机的里程碑现代计算机的里程碑32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33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Von 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！35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。微程序控制器36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应用的普及：应用的普及：IBM PC机机37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RISC计算机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下一代计算机下一代计算机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小结小结学习方法博学 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课程信息课程信息用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作业作业阅读：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资料整理仅供参考,用药方面谨遵医嘱