組成原理一章

1計算機組成原理主講教師：胡迪青、肖亮e_mail:QQ:121374333

QQ:4029009132計算機專業(yè)的核心專業(yè)基礎硬件類課程，介紹計算機各主要組成部件(運算器、控制器、存儲器、總線)的結構、工作原理、設計方法以及組成整機的有關技術。課程簡介構建軟/硬件協(xié)同的系統(tǒng)觀!為什么學習計算機組成原理？培養(yǎng)懂硬件的軟件工程師或懂軟件的硬件工程師！3

計算機組成原理數(shù)字邏輯電路

匯編語言

計算機系統(tǒng)結構

微機接口技術操作系統(tǒng)應用其它基礎課

基礎課

專業(yè)基礎課

專業(yè)課編譯系統(tǒng)課程地位4第一章計算機系統(tǒng)概述3學時第二章數(shù)據(jù)信息的表示5學時（習題課與測試）第三章運算方法與運算器8學時（習題課與測試）第四章存儲系統(tǒng)12學時（習題課與測試）第五章指令系統(tǒng)4學時第六章中央處理器10學時第八章系統(tǒng)總線4學時第九章輸入/輸出系統(tǒng)

6學時（最后一次課總復習與測試）

教學安排5

作業(yè)與考勤:10%

三次測試的平均成績:10%

課程實驗:20%

要求按照實驗報告要求書寫

課外實驗/報告:10%要求按照實驗報告要求書寫

期末考試:50%

無故缺課1/3(14節(jié))或無故不交作業(yè)達到1/3(2次),不能參加課程的期末考試;

發(fā)現(xiàn)抄襲作業(yè)者,作業(yè)平時成績按0分記;發(fā)現(xiàn)實驗報告抄襲者,實驗成績按0分記。課程成績與組成6

系統(tǒng)觀+構造觀的學習視角和學習方法

勤動手：查閱相關資料并動手實驗(做中學)

XilinxISE（IntegratedSoftwareEnvironment）硬

多閱讀：閱讀學科前沿資料、閱讀經典著作(研究性學習)本課程的學習過程中應注意的問題方法7參考書:[1](美)RANDALE.BRYANT；DAVIDO‘HALLARON.深入理解計算機系統(tǒng)(修訂版).(08年度暢銷榜TOP50).中國電力出版社.[2](荷)ANDREWS.TANENBAUM.計算機組成結構化方法(英文影印版)(第5版).人民郵電出版社.[3](美)DAVIDA.PATTERSON；JOHNL.HENNESSY.計算機組成與設計硬件/軟件接口(原書第3版).機械工業(yè)出版社.[4]CarlHamacherZvonkoVranesicSafwatZaky著.計算機組成.機械工業(yè)出版社.[5]唐朔飛.計算機組成原理(第2版).高等教育出版社.[6]白中英、戴志濤、周鍥等.計算機組成原理.科學出版社.秦磊華吳非莫正坤.計算機組成原理.清華大學出版社,2012教材及參考書高建生莫正坤譚志虎.計算機組成原理.華科大出版社,2012TextBookPage

8ReferencePage

9ReferencePage

1011

(UCBerkeleyMachineStructure)

(UCBerkeleyComponentsandDesignTechniquesforDigitalSystem)

(美國UCBerkeleyComputerArchitectureandEngineering)

(美國StanfordDigitalSystemII)

(CarnegieMellonIntroductiontoComputerArchitecture)Mit計算機科學與工程系計算機系列課程網站

(國家精品資源共享課網站)學習資源參考12只有親自實踐，才能領略本課程的真諦！13一、計算機系統(tǒng)概述（知識點）1.計算機系統(tǒng)的組成及各部分的功能

馮諾依曼計算機的思想

五大組成部分及其功能2.計算機系統(tǒng)的層次結構

分層結構及分層的優(yōu)點

每層的作用和特點

硬件與軟件的關系3.計算機的性能指標和性能評價非時間指標:字長、主存容量

時間相關的性能指標：主頻、CPU執(zhí)行時間、CPI、MIPS、MFLOPS14

基本思想：存儲程序和程序控制關注:原理與結構之間的對應關系1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能1)工作原理151.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能162)運算器

算術/邏輯運算、比較、轉移和測試等功能

根據(jù)運算的結果設置條件狀態(tài)寄存器條件狀態(tài)寄存器1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能（溢出、結果為零、結果為負、結果為正數(shù)等）17

指揮協(xié)調計算機其他部件進行工作的重要部件?？刂破鞲鶕?jù)不同的指令，產生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號。3)控制器1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能18(1)保存程序、數(shù)據(jù)和中間結果的場所(2)基于地址訪問(3)常用的單位和之間的換算關系?位—bit?字節(jié)--Byte

1Byte=8bit?KB1KB=1024B（需要10位地址線）?MB1MB=1024KB（需要20位地址線）?GB1GB=1024MB（需要30位地址線）?TB1TB=1024GB（需要40位地址線）?PB1PB=1024TB（需要50位地址線）?EB1EB=1024PB（需要60位地址線）4)主存儲器(Memory)1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能19關于Prefixesforbinarymultiples的兩種體系：

InternationalElectrotechnicalCommission(IEC:國際電工委員會)InternationalSystemofUnits(SI:國際單位制符號)詳細內容：20(5)輸入和輸出設備1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能

提供人機接口

常用的輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀、磁帶機等

常用的輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀、磁帶機等21(6)系統(tǒng)互連1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能

基于總線的系統(tǒng)互連

基于專用通道結構的系統(tǒng)互連22

馮諾依曼計算機的基本體系結構和哈佛結構

馮諾依曼體系結構計算機:Intel80X86、ARM7、MIPS等。

哈佛結構計算機：MotorolaMC68、ZilogZ8、ARM9、ARM10、ARM11等。

現(xiàn)代計算機多是Cache采用哈佛結構，主存采用馮諾依曼結構。哈佛結構將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器，是一種并行體系結構，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。兩個存儲器對應的4條總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離結構允許在一個機器周期內同時獲得指令字（來自程序存儲器）和操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器），提高了執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)的吞吐率。

未來的計算機體系結構

1.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能231.計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能EndofMoore’slawVLSItechnologypredictednottoscalepass2015Transistorsizewillbemeasuredinatomsandnodechargewillbemeasuredinelectrons!!BTW,thisdoesn’tmeanVLSIisfinished,justnomorescalingmanypreviously-unimportantproblemswillstarttocreepinbetweennowandthen,e.g.,complexity,wiredelay,powerandreliabilityNon-vonNeumannarchitecturesparallelanddistributedprocessingreconfigurablehardwarecomputingNon-silicontechnologiesnanotechnologies:carbonnanotubes,molecularswitchesbiological/cellularcomputers:DNA,proteinsandenzymesquantumcomputers:magneticresonanceandquantumdots.FutureofComputersAlanTuring,“OnComputableNumberswithanApplicationtotheEntscheidungsproblem”

——ProceedingsoftheLondonMathSociety2(42),1936,pp.173-198.AlanMathisonTuring1912.6.23-1954.6.7再回顧圖靈…..圖靈命題圖靈1936年的傳世論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用》主要是回答德國大數(shù)學家希爾伯特在1900年提出的著名的“23個數(shù)學難題”之中的第10個，問題涉及邏輯的完備性，即是不是所有的數(shù)學問題在邏輯上都是可解的。這篇論文說，有些數(shù)學問題是不可解的。自動計算機的理論模型是在該論文中提出的，這種抽象模型可以把推理化作一系列簡單的機械動作,被稱作為圖靈機的模型,有許多等價描述。歪打正著，圖靈機模型到上世紀60年代卻轉變成用來說明可計算能力的模型。為紀念該文發(fā)表30周年，1966年設立“圖靈獎”,以紀念這位計算機科學理論的奠基人。一條雙向可無限延長的、被分成一個個方格的磁帶,格里寫有符號一個有限狀態(tài)控制器一個讀寫磁頭邱奇-圖靈論題圖靈機圖靈機的動作由五元組確定： <q,b,a,m,q’>其中，q和q’為控制器的當前狀態(tài)和下一狀態(tài)；b和a為方格中的原有符號和修改后的符號，m指示磁頭移動方向，或左或右或停。由狀態(tài)和符號確定的工作過程稱圖靈機程序。圖靈論題：凡是可計算的函數(shù)都可以用圖靈機計算。邱奇論題：任何計算，如果存在一有效過程，它就能夠被圖靈機實現(xiàn)。馮·諾伊曼結構的計算機馮·諾依曼（1903-1957）計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成?；驹恚捍鎯Τ绦颍╯toredprogram）并按地址順序執(zhí)行?？刂破靼凑粘绦蝽樞?，逐條把指令和數(shù)據(jù)從存儲器中取出并加以執(zhí)行，自動完成由程序所描述的處理工作。馮?

諾伊曼結構的計算機裸機系統(tǒng)軟件中間件應用軟件計算機的核心包括運算器和控制器在內的中央處理單元(CPU)。計算機系統(tǒng)是由軟硬件組成的多級層次結構，由微程序級、一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成。從此，人們把CPU和操作系統(tǒng)看作計算機的“核”。三種基本的信息操作

處理傳輸存儲

數(shù)字舞臺三大“男高音”－處理、通訊（傳輸）、存儲30處理：對信息進行變化和加工傳輸：信息跨越空間的傳播存儲：信息跨越時間的傳播存儲是信息技術的三大基石之一（被我國忽略的領域）基本定義31對人類文明的重要性處理：產生知識通訊：傳播知識存儲：積累知識

32圖靈機模型主要是針對計算的，但存儲和通訊隱含在其中.這個理論指明了bit的強大功能，也包含了計算機的設計思想.在通訊和存儲兩個領域工作過的人都會發(fā)現(xiàn)，他們涉及的問題竟然如此類似通訊的編碼理論完全可以用于存儲通訊：信源編碼，信道編碼存儲：糾錯編碼，調制編碼，磁盤陣列的容錯原理加密理論、信息的壓縮原理對通訊和存儲是一樣的本質的道理：通訊和存儲都是信息的傳播，差別在于：一個跨越空間，一個跨越時間原來信息論適用于信息的傳播！在空間和時間上，他們遵從一樣的原理！第二層的理論：信息論

關于信息時空傳播的理論磁盤陣列（多個硬盤）容量、速度、可用性34三位一體的數(shù)字信息學理論圖靈機主要是針對計算的，但隱含了通訊和存儲信息論主要是針對通訊和存儲的，但隱含了計算處理、傳輸、存儲在理論上是三位一體的，缺一不可上述理論解決了數(shù)字信息學的全部？NO!35硬件發(fā)展的6個規(guī)律1．

Moore定律：微處理器內晶體管數(shù)每十八個月翻一番；2．

Bell定律：如果保持計算能力不變，微處理器的價格每十八個月減少一半；3．

Gilder定律：未來25年（1996年與預言）里，主干網的帶寬將每6個月增加一倍；4．

Metcalfe定律：網絡價值同網絡用戶數(shù)的平方成正比。

5.半導體存儲器發(fā)展規(guī)律：DRAM的密度每年增加60%，每三年翻四倍。6。硬盤存儲技術發(fā)展規(guī)律：硬盤的密度每年增加約一倍數(shù)字域的三種操作處理：CPU,DSP,ASIC,FPGA,Gate傳輸：總線(CPU內部、系統(tǒng)總線,I/O總線),網絡（機器內部網，LAN，WAN，INTERNET,無線網）存儲：RAM，ROM，F(xiàn)LASH，硬盤，光盤，存儲系統(tǒng)（RAID，NAS，SAN）硬件的核心技術：集成電路技術37IC發(fā)展略談

38BirthofModernElectronics--1947

AT&TBell實驗室

PointContactTransistor

1956年諾貝爾物理獎WilliamShockley,WalterBritain,JohnBardeenLarge,expensive,power-hungry,Unreliable39

TexasInstrument

JackKilby

2000年諾貝爾物理獎ThefirstIC(IntegratedCircuit),1Transistorand4otherdeviceononechipBTW:2007GMR法：AlertFert，德：PeterBrunberge2014年：LED高亮度藍光發(fā)光二極管

MicroelectronicRevolution--1958

40TransistorRevolutionandMOSFET

TransistorBardeen(Belllabsin1947)

Bipolar-transistor–shockleyin1949

Firstbipolardigitallargegatein1956FirstmonolithicIC–JackKilbyin1958Firstcommerciallogicalgates–Fairchildin1961TTL-1962into1990’sECL-1974into1980’sMOSFET

Technology:Lilienfeld(Canada)in1925andHeil(Englang)in1935CMOS，NMOS,PMOS……功耗小、集成度高……41IntelProcessRoadmap

42不同的級面向不同的用戶，采用不同的程序設計方法和不同的設計工具,得到的目標代碼性能也不同。2.計算機系統(tǒng)的層次結構層次視角的計算機431)軟件和硬件的邏輯等價性2)透明性:本來存在的事物，從某個角度去看卻好象不存在。3)計算機分層結構中的透明性:

一般機器級的特性(如通用寄存器的數(shù)量)對高級語言程序設計者透明

微指令的格式對一般機器級程序設計者透明2.計算機系統(tǒng)的層次結構442.計算機系統(tǒng)的層次結構還有哪些其它視角的計算機?

安全視角

節(jié)能視角

其它用戶視角等…..451)非時間指標(1)機器字長:指參與運算的數(shù)據(jù)位數(shù)；由加法器、寄存器的位數(shù)決定；一般等于內部寄存器的位數(shù)（字長）；字長越長，表示數(shù)據(jù)的范圍就越大，計算精確度越高；常見的計算機為32位和64位計算機。3.計算機系統(tǒng)的性能評價46(2)數(shù)據(jù)總線寬度指數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的信息位數(shù)。一般指運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線位數(shù)。有些計算機內部與外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致：

8086、80286、80386內外數(shù)據(jù)總線等寬；

8088、80386SX外部總線寬度8位內部總線寬度16位；

Pentium外總線64位，內總線32位（兩條32位流水線）3.計算機系統(tǒng)的性能評價47(3)主存儲器容量和帶寬

主存容量是指其包含的存儲單元總數(shù)量。主存可以字節(jié)編址（操作系統(tǒng)）、也可以字編址。存儲帶寬:指單位時間內從存儲器中讀出的二進制信息量，常用單位B/s（字節(jié)/秒）表示。（對應到存儲帶寬的指標包括：數(shù)據(jù)位和傳輸速率）3.計算機系統(tǒng)的性能評價482)時間指標3.計算機系統(tǒng)的性能評價(1)主頻f/時鐘周期Tf與T互為倒數(shù)。T也稱為節(jié)拍周期，是處理操作最基本的時間單位。CPU主頻越高，T周期時間就越短（f=100MHz時，T=10ns；f=1GHz時，T=1ns）49(2)CPI(ClockcyclesPerInstruction)執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)(即T周期的個數(shù))CPI=程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和/程序中指令總數(shù)

=程序中各類指令的CPI程序中該類指令的比例3.計算機系統(tǒng)的性能評價50(3)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)表示每秒執(zhí)行的指令條數(shù)(以百萬為單位)MIPS106=

指令條數(shù)執(zhí)行時間CPU時鐘周期之和=指令條數(shù)

106/ffCPI=

1063.計算機系統(tǒng)的性能評價51(4)MFLOPS(MillionFloating-PointOperationsPerSecond)

描述計算機每秒執(zhí)行浮點操作次數(shù)，而不是MIPS所衡量的單位時間內執(zhí)行的指令條數(shù)。

MFLOPS=程序中的浮