計(jì)算機(jī)組成原理ppt課件.ppt

計(jì)算機(jī)組成原理 學(xué)習(xí)目的和方法計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 2 計(jì)算機(jī)組成原理 學(xué)分 4學(xué)時(shí) 64 32先修課程 數(shù)字邏輯 高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)后續(xù)課程 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 編譯原理 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 3 學(xué)習(xí)目的 了解計(jì)算機(jī)的組成五大組成部件掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理計(jì)算機(jī)為什么能執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言程序了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的一些核心技術(shù)流水 Cache 并行培養(yǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的技能提高編程能力成為計(jì)算機(jī)科學(xué)家 計(jì)算機(jī)專家 4 主要教學(xué)內(nèi)容 計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)運(yùn)算器的功能 組成和基本運(yùn)行原理控制器的功能 組成和運(yùn)行原理存儲(chǔ)器及層次存儲(chǔ)器系統(tǒng)輸入 輸出設(shè)備和總線 5 學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握單CPU計(jì)算機(jī)的完整硬件組成基本運(yùn)行原理內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新發(fā)展達(dá)到能獨(dú)立設(shè)計(jì)一臺(tái)完整計(jì)算機(jī)的水平知識(shí)和能力兩方面都提高 6 教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)習(xí)方法 課堂講授閱讀參考資料思考習(xí)題完成實(shí)驗(yàn)及報(bào)告討論和總結(jié)考試 博學(xué)審問(wèn)慎思明辨篤行 7 考評(píng)辦法 習(xí)題和作業(yè)作業(yè)缺交2次 含 作業(yè)成績(jī)?yōu)?發(fā)現(xiàn)抄襲現(xiàn)象 作業(yè)成績(jī)?yōu)? 若作業(yè)成績(jī)?yōu)? 則考試無(wú)效 作業(yè)要求上交手寫版 不接受電子版和打印版實(shí)驗(yàn)和報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告可按照要求 提交電子版考試總成績(jī)?cè)u(píng)定If考試成績(jī) 全年級(jí)考試成績(jī)的平均值 2Then總評(píng)成績(jī) 考試成績(jī) 40 Project成績(jī) 50 作業(yè)成績(jī) 10 Else總評(píng)成績(jī) 考試成績(jī) 8 Project評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 自由組合 原則上按組給成績(jī)達(dá)到基本要求 成績(jī)?yōu)?0分獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全部規(guī)定指令及指定的擴(kuò)展指令 微程序和組合邏輯兩種控制器 獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告鼓勵(lì)在任何方面 尤其是硬件方面的擴(kuò)展 最多20分 中斷 I O等監(jiān)控程序修改 完善任何其他有特色的創(chuàng)新課堂交流 9 教材和參考書(shū) 教材 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì) 王誠(chéng)著清華大學(xué)出版社 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 第2版 王誠(chéng)著清華大學(xué)出版社參考書(shū)目 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu) 劉衛(wèi)東編機(jī)械工業(yè)出版社 計(jì)算機(jī)組成 結(jié)構(gòu)化方法 劉衛(wèi)東宋佳興徐恪譯人民郵電出版社ComputerOrganization DesignThehardware softwareinterface機(jī)械工業(yè)出版社ComputerorganizationandarchitectureDesigningforperformance清華大學(xué)出版社其他閱讀材料 10 計(jì)算機(jī)里有什么 11 計(jì)算機(jī)基本組成 構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論大部分已經(jīng)有50年了 目前 計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件也沒(méi)有大的改變CPUDataPathControllerMemoryI O 12 現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 功能部件CPUDataPathControllerMemoryI O IntelPentium 13 計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)制 Datapath 完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算 通常包括其中的寄存器 Control CPU的組成部分 它根據(jù)程序指令來(lái)指揮datapath memory以及I O運(yùn)行 共同完成程序功能 Memory 存放運(yùn)行時(shí)程序及其所需要的數(shù)據(jù)的場(chǎng)所 Input 信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)的設(shè)備 如鍵盤 鼠標(biāo)等 Output 將計(jì)算結(jié)構(gòu)展示給用戶的設(shè)備 如顯示器 磁盤 打印機(jī) 喇叭等 14 VonNeumann計(jì)算機(jī) Processor VonNeumannMachine 15 Datapath Memory I O 16 Bus BasedComputer 17 AnatomyofaModernPC 18 Multiprocessors IBMASCIWhite 8Kprocessors 13Tflops 19 計(jì)算機(jī)剖析 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)處理器 邏輯設(shè)計(jì) 電路 VLSI 設(shè)計(jì) 設(shè)備制造 20 計(jì)算機(jī)剖析 續(xù) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)處理器 高級(jí)語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言 機(jī)器語(yǔ)言 21 計(jì)算機(jī)組成原理 22 LevelsofRepresentation HighLevelLanguageProgram e g C AssemblyLanguageProgram e g MIPS MachineLanguageProgram MIPS ControlSignalSpecification Compiler Assembler MachineInterpretation 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 00001001110001101010111101011000101011110101100000001001110001101100011010101111010110000000100101011000000010011100011010101111 計(jì)算機(jī)組成 23 ASix LevelComputer 24 MultilevelMachine 25 EvolutionofMultilevelMachines BarehardwareMicroprogrammingOperatingsystemCompilersHardware softwareinterfaceSimpleISACISCRISC 26 ComputerGenerations Gen 0 Mechanicalcomputers BCtoearly1940s Gen 1 VacuumTubes 1943 1959 Gen 2 Transistors 1960 1968 JohnBardeen WalterBrattain andWilliamShockleyGen 3 IntegratedCircuits 1969 1977 JackKilby 1958 Gen 4 VLSI 1978 present Gen 5 Optical Quantum 生物 27 古代及近代計(jì)算技術(shù) 公元前500年 中國(guó)出現(xiàn)算盤 1642年 BlaisePascal發(fā)明自動(dòng)進(jìn)位的加法機(jī)器 齒輪驅(qū)動(dòng)撥盤 在窗口顯示結(jié)果 1822年 CharlesBabbage 微分機(jī) DifferentialEngie 1833年 分析機(jī) AnalyticalEngine 通用機(jī)器 16世紀(jì) Alkhowarizmi提出算法概念 并出版以算法 Algorithm 為題的書(shū)籍 AdaAugustaLovelace 第一位程序員 28 圖靈機(jī) 1937年 AlanTuring提出一種 通用 計(jì)算機(jī)的概念 它可以執(zhí)行任何一個(gè)描述好的程序 算法 實(shí)現(xiàn)需要的功能 形成了 可計(jì)算性 概念的基礎(chǔ) 存儲(chǔ)程序的思想 使計(jì)算機(jī)從專用走向通用 正是這一創(chuàng)新 開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)的新時(shí)代 50年代 Turing提出了 智能 計(jì)算機(jī)的概念 Turing測(cè)試 29 圖靈機(jī) TuringMachine 確定型圖靈機(jī) 有窮符號(hào)集P 有窮狀態(tài)集Q 轉(zhuǎn)移函數(shù)F Q P Q P 1 1 通用機(jī) UniversalMachine 概念 有限狀態(tài)控制器 P 讀寫頭 帶 4 3 2 10 1 Q 30 Turing機(jī)特點(diǎn) 通用計(jì)算機(jī) 并不是保存所有問(wèn)題的結(jié)果 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī) 問(wèn)題的求解由程序或過(guò)程給出 程序和過(guò)程可以通過(guò)語(yǔ)言描述 有限速度 計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間是有限的 有限空間 計(jì)算機(jī)程序的存放空間和數(shù)據(jù)存放空間也是有限的 是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的鼻祖 31 VannevarBush Memex 保存有10億本圖書(shū)的書(shū)柜可按照人們的需要 對(duì)圖書(shū)進(jìn)行照相甚至可以記錄人們的聲音保存并共享人類歷史上的知識(shí)Web之父 32 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的里程碑 33 第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC ElectronicNumericalandIntegrateCalculator MauchlyandEckert設(shè)計(jì)1946年2月14日第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī) 設(shè)計(jì)用于計(jì)算火炮的彈道重30噸 占地15000平方英尺 18000個(gè)電子管 耗電140KW 運(yùn)算速度 5000次加法 秒使用十進(jìn)制數(shù)20個(gè)寄存器 每個(gè)存放10位的十進(jìn)制數(shù)通過(guò)設(shè)置6000個(gè)開(kāi)關(guān)和其它眾多的插頭和插座來(lái)編程 34 VonNeumann機(jī)IAS 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的鼻祖 五大功能部件將程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示 存儲(chǔ)器有4096個(gè)字 每個(gè)字40位 采用二進(jìn)制數(shù)據(jù) 簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)器只提供整數(shù)運(yùn)算 任何有能力的數(shù)學(xué)家都能在頭腦中記住小數(shù)點(diǎn)的位置 35 第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī) PDP 1 1957年由DEC公司生產(chǎn)第二代計(jì)算機(jī) 晶體管 18位字長(zhǎng) 4K內(nèi)存 機(jī)器周期為5微秒售價(jià)120000美元 售出50臺(tái) 開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè) 36 第一個(gè)系列計(jì)算機(jī) IBM360 第三代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)應(yīng)用 科學(xué)計(jì)算和商務(wù)處理如何在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行相同的軟件 系列計(jì)算機(jī) IBM360計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 程序員眼中的計(jì)算機(jī) 具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行相同的程序 微程序控制器 37 應(yīng)用的普及 IBMPC機(jī) 38 RISC計(jì)算機(jī) 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)盡量簡(jiǎn)單 復(fù)雜指令通過(guò)簡(jiǎn)單指令的組合來(lái)完成提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度 39 下一代計(jì)算機(jī) Babbage 更快 更高 更強(qiáng)Turing 智能計(jì)算機(jī)Bush 信息網(wǎng)格 40 小結(jié) 學(xué)習(xí)方法博學(xué)審問(wèn)慎思明辨篤行計(jì)算機(jī)組成原理單臺(tái)計(jì)算機(jī)完整的硬件系統(tǒng)的基本原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的鑰匙計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史以史為鑒 可知