组成原理第一章(v1.1).ppt

1,计算机组成原理,主讲教师：胡迪青、吴非,e_mail: QQ: 121374333,2,计算机专业的核心专业基础硬件类课程，介绍计算机各主要组成部件(运算器、控制器、存储器、总线)的结构、工作原理、设计方法以及组成整机的有关技术。,课程简介,构建软/硬件协同的系统观!,为什么学习计算机组成原理？,培养懂硬件的软件工程师或懂软件的硬件工程师！,3,计算机 组成原理,数字逻辑电路,汇编语言,计算机系统结构,微机接口技术,操作系统,应用,其它基础课,编 译 系 统,课程地位,4,第一章 计算机系统概述 3学时 第二章 数据信息的表示 5学时 （习题课与测试） 第三章 运算方法与运算器 8学时（习题课与测试） 第四章 存储系统 12学时 （习题课与测试） 第五章 指令系统 4学时 第六章 中央处理器 10学时 第七章 流水线 技术 8学时 第八章 系统总线 4学时 第九章 输入/输出系统 6学时 （最后一次课总复习与测试）,教学安排,5,作业、考勤、测试: 20% 课程实验:20% -要求按照实验报告要求书写 课外实验/报告:10%-要求按照实验报告要求书写 期末考试:50% 无故缺课1/3或无故不交作业达到1/3,不能参加课程的期末考试; 发现抄袭作业者,作业平时成绩按0分记;发现实验报告抄袭者,实验成绩按0分记。,课程成绩与组成,6,系统观 + 构造观 的学习视角和学习方法 勤动手：查阅相关资料并动手实验 (做中学) Logisim 或者 Xilinx Vivado硬 多阅读：阅读学科前沿资料、阅读经典著作(研究性学习),本课程的学习过程中应注意的问题方法,7,参考书:,1(美)RANDAL E.BRYANT；DAVID OHALLARON. 深入理解计算机系统(修订版). (08年度畅销榜TOP50) .中国电力出版社. 2(荷)ANDREW S.TANENBAUM.计算机组成结构化方法(英文影印版)(第5版).人民邮电出版社. 3(美)DAVID A.PATTERSON；JOHN L.HENNESSY.计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).机械工业出版社. 4Carl Hamacher Zvonko Vranesic Safwat Zaky著.计算机组成. 机械工业出版社. 5唐朔飞. 计算机组成原理(第2版).高等教育出版社. 6白中英、戴志涛、周锲等.计算机组成原理.科学出版社.,秦磊华 吴非 莫正坤. 计算机组成原理. 清华大学出版社,2012,教材及参考书,8,/coursestatic/course_7283.html,课程网站,9,/cs61c/su08/ (UC Berkeley Machine Structure) /cs150/sp09/ (UC Berkeley Components and Design Techniques for Digital System) /cs152/sp09/ (美国UC Berkeley Computer Architecture and Engineering) /class/ee108b (美国Stanford Digital SystemII ) /ece447/ ( Carnegie Mellon Introduction to Computer Architecture ) /courses/electrical-engineering-and-computer-science/ Mit计算机科学与工程系计算机系列课程网站,学习资源参考,10,课程实验（原来）,11,课程实验（现在）,12,一、计算机系统概述 （知识点） 1.计算机系统的组成及各部分的功能 冯诺依曼计算机的思想 五大组成部分及其功能 2.计算机系统的层次结构 分层结构及分层的优点 每层的作用和特点 硬件与软件的关系 3.计算机的性能指标和性能评价 非时间指标:字长、主存容量 时间相关的性能指标： 主频、CPU执行时间、CPI 、MIPS、MFLOPS,13,基本思想：存储程序和程序控制 关注: 原理与结构之间的对应关系,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,1)工作原理,14,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,15,2)运算器 算术/逻辑运算、比较、转移和测试等功能 根据运算的结果设置条件状态寄存器,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,（溢出、结果为零、结果为负、结果为正数等）,16,指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。,3)控制器,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,17,(1)保存程序、数据和中间结果的场所 (2)基于地址访问 (3)常用的单位和之间的换算关系 位bit 字节-Byte 1Byte=8bit KB 1KB=1024B （需要10位地址线） MB 1MB=1024KB （需要20位地址线） GB 1GB=1024MB （需要30位地址线） TB 1TB=1024GB （需要40位地址线） PB 1PB=1024TB （需要50位地址线） EB 1EB=1024PB （需要60位地址线）,4)主存储器(Memory),1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,18,关于Prefixes for binary multiples的两种体系：,International Electrotechnical Commission (IEC:国际电工委员会) International System of Units (SI:国际单位制符号),详细内容：/cuu/Units/binary.html,19,(5)输入和输出设备,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,提供人-机接口 常用的输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪、磁带机等 常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪、磁带机等,20,(6)系统互连,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,基于总线的系统互连,基于专用通道结构的系统互连,21, 冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构,冯诺依曼体系结构计算机:Intel 80X86、 ARM7、 MIPS等。 哈佛结构计算机：Motorola MC68、Zilog Z8、ARM9、ARM10、ARM11等。 现代计算机多是Cache采用哈佛结构，主存采用冯诺依曼结构。,未来的计算机体系结构,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,22,1. 计算机系统的工作原理及各部分功能,End of Moores law VLSI technology predicted not to scale pass 2015 Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in electrons! BTW, this doesnt mean VLSI is finished, just no more scaling many previously-unimportant problems will start to creep in between now and then, e.g., complexity, wire delay, power and reliability Non-von Neumann architectures parallel and distributed processing reconfigurable hardware computing Non-silicon technologies nanotechnologies: carbon nanotubes, molecular switches biological/cellular computers: DNA, proteins and enzymes quantum computers: magnetic resonance and quantum dots.,Future of Computers,23,不同的级面向不同的用户，采用不同的程序设计方法和不同的设计工具,得到的目标代码性能也不同。,2. 计算机系统的层次结构,层次视角的计算机,24,1)软件和硬件的逻辑等价性 2)透明性: 本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。 3)计算机分层结构中的透明性: 一般机器级的特性(如通用寄存器的数量)对高级语言程序设计者透明 微指令的格式对一般机器级程序设计者透明,2. 计算机系统的层次结构,25,2. 计算机系统的层次结构,还有哪些其它视角的计算机? 安全视角 节能视角 其它用户视角等 ,26,1)非时间指标,(1)机器字长: 指参与运算的数据位数；, 由加法器、寄存器的位数决定； 一般等于内部寄存器的位数（字长）； 字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度越高； 常见的计算机为32位和64位计算机。,3.计算机系统的性能评价,27,(2)数据总线宽度,指数据总线一次能并行传送的信息位数。 一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致： 8086、80286、80386内外数据总线等宽； 8088、80386SX 外部总线宽度8位内部总线宽度16位； Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）,3.计算机系统的性能评价,28,(3)主存储器容量和带宽,主存容量是指其包含的存储单元总数量。 主存可以字节编址（操作系统）、也可以字编址。 存储带宽:指单位时间内从存储器中读出的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）表示。（对应到存储带宽的指标包括：数据位和传输速率）,3.计算机系统的性能评价,29,2)时间指标,3.计算机系统的性能评价,(1)主频f/时钟周期T,f与T互为倒数。 T也称为节拍周期，是处理操作最基本的时间单位。CPU主频越高，T周期时间就越短（f=100MHz时，T=10ns；f=1GHz时，T=1ns）,30,(2)CPI (Clock cycles Per Instruction),执行一条指令所需要的平均时钟周期数(即T周期的个数) CPI =程序中所有指令的时钟周期数之和/程序中指令总数 = 程序中各类指令的CPI程序中该类指令的比例,3.计算机系统的性能评价,31,(3)MIPS (Million Instructions Per Second),表示每秒执行的指令条数(以百万为单位),3.计算机系统的性能评价,32,(4)MFLOPS(Million Floating-Point Operations Per Second),描述计算机每秒执行浮点操作次数，而不是MIPS所衡量的单位时间内执行的指令条数。 MFLOPS = 程序中的浮点运算次数/(执行时间 106 ）,3.计算机系统的性能评价,33,(5)CPU执行时间,执行一段程序所需要的时间 (CPU时间+I/O时间+存储访问+各类排队时延等)。 CPU时间= 程序中所有指令的时钟周期数之和 时钟周期时间 =程序中所有指令的时钟周期数之和 / 时钟频率 (回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理),3.计算机系统的性能评价,34,考虑CPI后的CPU时间可表示为:,CPU时间=,ICi表示程序中第i类指令的条数,考MIPS后的CPU时间可表示为:,3.计算机系统的性能评价,35,(6)应用举例,例1 若某计算机主频为1GHZ，在其上运行目标代码(2105条指令)，代码包含4类指令，所占比例和各自的CPI如下表所示，求程序的平均CPI和MIPS。,解： CPI = 160% + 218% + 412% +810% = 2.24 MIPS = f/(CPI10 6) = 110 9/ (2.24106 ) = 446.4,3.计算机系统的性能评价,36,(6)关于计算机系统的性能评