组成与体系结构(0)

1、计算机组成与体系结构,程维 软件学院,本课程的目的：了解并掌握计算机硬件的基本知识，在此基础上着重讲述计算机中“数”的运算、存储、计算机(CPU)的设计和工作原理以及输入输出系统。 (1)在软件（包括系统软件和应用软件）设计过程中必须了解到的计算机系统的组成与结构是本课程的主要教学目标。 (2)通过本课程学习，能够比较全面地掌握计算机系统的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，并建立起计算机系统的完整概念。 学会计算机系统各个主要组成部分的基本原理，常用的性能评价方法，分析方法、计算方法等。,课程目的和安排,内容安排: 课堂授课 48学时 实验 8学时,计算机系统概论（2学时） 计算机中

2、常用的逻辑部件（4学时） 运算方法和运算器（6学时） 存储系统（10学时） 指令系统（4学时） 中央处理器(CPU)（18学时） 输入输出系统（4学时）,考核方式及成绩评定,总分100分 三部分组成 平时成绩：20%（出勤率，作业） 实验成绩：10%（共两次实验） 期末试卷成绩：70% 期末考试方式：闭卷,教材及参考书,教材：计算机组成原理白中英 第三版 参考书： 计算机组成与结构王爱英 清华大学 计算机系统结构李学干 西安电子科技大学 计算机系统结构：一种定量的方法John L. Hennessy, David, A. Patterson 著,知识结构,第一章 计算机系统概论,计算机的分类和

3、应用 计算机的硬件 计算机的软件 计算机的层次结构 计算机的发展简史 我国计算机发展现状,计算机的分类,电子计算机从总体上来说分为两大类。 一类是电子模拟计算机 。 另一类是电子数字计算机 。 数字计算机进一步又可分为专用计算机和通用计算机 。,单片机、微型机、工作站、服务器、大型机、超级计算机之间的区别,通用计算机的分类,巨型机世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III 小巨型机功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 大型机大中型企事业单位作为计算中心

4、的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等。 小型机它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列。 工作站用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 微型机个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉,计算机的应用,科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算 过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI 数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化

5、 智能模拟 人工智能、专家系统、自学习,计算机的硬件,输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序、输入的信息有数字符、字母和控制符等。 输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、图形等. 存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息，起存储、缓冲、传递信息的作用。 中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算器和控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。 在计算机中各部件间来往的信号可分成三种类型，即地址、数据和控制信号。通常这些信号是通过总线传送的， CPU发出的控制信号，经控制总线送到存储器和

6、输入输出设备，控制这些部件完成指定的操作。与此同时，CPU（或其他设备）经地址总线向存 储器或输入输出设备发送地址，使得计算机各个部件中的数据能根据需要互相传送。,计算机的软件,自然语言：人类相互交流信息所用的语言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言 。 汇编语言：符号式程序设计语言。 机器语言：由于目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。,计算机的层次结构,翻译和解释,翻译（Trans

7、lation)：是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。 解释（Interpretation) ：是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。,计算机发展简史,计算机的产生 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每

8、秒5000次加法。,一般认为冯.诺依曼机具有如下基本特点: 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器？,计算机发展简史,第一代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代

9、(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1971至今) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用10年。,计算机系统结构、组成与实现,什么是计算机系统结构？ 什么是计算机组成？ 什么是计算机的实现？,计算机的体系结构,从计算机系统的层次结构上定义，系统结构是对计算机系统中每个机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。 例如：IBM PC和VAX-11是两种不同系列的计算机。它们的汇编指令和二进制机器指令的操作类型

10、、指令格式、寻址方式等都不一样。,计算机组成,定义：计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 近40年，计算机组成设计的主要是围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度以及分散功能和设置专门功能部件来进行的。,计算机实现,计算机实现指的是计算机组成的物理实现。 它着眼与器件技术和微组装技术 ，其中器件技术起主导作用。,计算机系统结构、组成、实现的关系,是三个不同的概念，互相联系又互相影响 具有相同结构的计算机可以有不同的组成方式；一种计算机的组成也可以采用不同的计算机实现。 反过来，计算机组成也会影响系统结构，微程序控制就是一个典型的例子。

11、采用固件技术可以改变机器指令。,软硬件的基本取舍原则,在现有硬件和器件条件下，系统要有高的性能价格比。 要考虑到准备采用和可能采用到组成技术，使它尽可能不要过多限制各种组成、实现技术的采用。 不能仅从硬件的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和器件技术的进展，还应从软件的角度考虑把编译和操作系统的实现，以至于高级语言的设计提供更多的服务放在首位。,系统结构与软件的关系,软件移植技术 统一高级语言 采用系列机思想 采用兼容机思想,模拟与仿真,模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟。 仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真。,计算机系统设计的主要方法,计算机系统由多级层

12、次组成。从哪一层开始设计构成了“由下往上”、“由上往下” 和“由中间开始”的三种设计方法。 1.由下往上 （Bottom-Up）设计它是根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。最后设计面向应用的虚拟机器级。,2.由上往下（Top-Down）设计,这是一种自然直观的设计方法。首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。当然每级设计过程中，既要考虑实现的方法，也要考虑如何使上一级能优化实现。,3.由中间开始 （Middle-Out) 设计,这里中

13、间是指多级层次结构的某两级的界面。多数计算机设计时把中间取在传统机器级与操作系统机器级之间。首先对这个界面进行详尽的功能描述与软、硬件功能分配。再由中间点往上、往下同时进行设计。软件系统从操作系统、汇编、编译系统设计，硬件从传统机器级、微程序机器级、数字逻辑级进行设计。软件设计与硬件设计同时进行这是中间开始设计的一个优点。,这些问题你能回答吗？,怎么定义计算机系统结构？它与计算机组成、计算机实现有什么区别和联系？ 计算机系统设计一般有哪三种方法？ 评价一个计算机系统性能好坏的标准是什么？ 什么是冯诺依曼结构？它的特点是什么？当前的计算机系统结构比较冯诺依曼结构，在哪些方面有很大的改进？ 有哪些

14、因素在影响着系统结构的发展？ 结果是什么？,最新相关知识介绍：我国计算机发展现状,中科院计算所2002年8月“龙芯”(一号) 上海交大2003年2月“汉芯”(一号)？,其它“0”和“1”表示方法,用磁通量的有无表示，超导体工艺 用能级的高低表示，量子计算机 用基因序列表示，A, G, C, T, DNA计算机，非二进制？,超导计算-RSFQ技术 (Rapid Single Flux Quantum),基本原理 超导(4-5K)环中的磁通量具有量子化特性，设计电路使超导环中的磁通量只变化一个磁通量，用磁通量的有无来表示二进制数位的“1” 和 “0”。磁通量的变化由外加电流控制。 SQUID (S

15、uperconducting Quantum Interface Device),电路特点 工作频率高-100 GHz (实验室已达370 GHz, 1.5 工艺)。 每个门的功率0.1W。 工艺比较简单。,量子计算（1）,量子力学特性 量子叠加态(superposed state)：量子器件的信息位称为量子位(qubit)，它可处于叠加态。叠加态可以是 “0” 也可以是 “1”。通过测量或与其他物体发生相互作用可呈现出 “0” 态或 “1” 态。由于每个量子位都可以是 “0” 或 “1”， n 个量子位就可以表示 2n 个 n 位数。常规计算机的一个 n 位存储单元只能存放一个 n 位数，而

16、 n 个量子位可以存放 2n 个 n 位数，可以实现超大容量的存储器。 量子纠缠态(entangled state)除了叠加态以外，用作运算的多个量子位还应处于纠缠态，即所有量子位的状态紧密相关。当测量某个量子位时，会影响其他量子位的测量结果。 量子并行 (quantum parallelism) 计算 f(x) 时，可同时计算出 x 的所有值的 f(x)。所以不需要多次循环，也不需要多个处理机并行计算。,量子计算（2）,应用领域 大数 N 因子分解令 n = log2N , 经典算法所需步骤为 2n/2 ，Shor 量子并行算法所需步骤为 Poly(n)，Poly(n) 为 n 的多项式。该

17、算法将 NP 问题转换为 P 问题。 搜寻算法 在 N 个元素的集合中搜寻某个元素，经典算法搜寻 N/2 次后，找到的概率为 1/2， Grover 量子搜寻算法则只需 N1/2 次，即可达到同样概率。 量子系统模拟常规计算机不可能有效地模拟量子系统，因为它们的物理机制不同。用常规计算机模拟量子系统，所需的信息量和时间都远大于模拟经典系统。量子计算可用于研究高温高密度等离子体、量子色动力学、晶体固态模型、分子行为的量子模型等。,介绍一种硬件设计常用的语言 Verilog语言,做结构设计时要明白逻辑上是什么样子 做逻辑设计十要明白物理上是什么样子 硬件设计人员和软件设计人员对Verilog有不同

18、认识 我只用Verilog中三种语句 组合逻辑：assign 时序逻辑：always (posedge clock) 模块调用,Verilog 语言-组合逻辑,组合逻辑-assign语句 以一位全加器为例 module full_adder(a,b,c,s,cout); input a,b,c; output s,out; assign s=abc; assign cout=a input D,C,G; output Q; reg Q; always (posedge C)begin if (G) Q=D; end endmodule,Verilog语言-模块调用,以四位串行加法器为例 mod

19、ule adder4(a,b,cin,s,cout); input 3:0 a; input 3:0 b; input cin; output 3:0 s; output cout; wire carry2:0 full_adder bit0(.a(a0),.b(b0),.c(cin0),.s(s0),.cout(carry0); full_adder bit1(.a(a1),.b(b1),.c(carry0),.s(s1),.cout(carry1); full_adder bit2(.a(a2),.b(b2),.c(carry1),.s(s2),.cout(carry2); full_ad

20、der bit3(.a(a3),.b(b3),.c(carry2),.s(s3),.cout(cout); endmodule,Verilog语言,四位计数器 module counter4(reset,en,clock,out); input reset,en,clock; output 3:0 out; reg 3:0 counter; wire 3:0 c_in; assign out = counter; adder4 counter(.a(counter),.b(4b0),.cin(1b1),.s(c_in),.cout(); always (posedge clock) begin counter = reset ? 0 : en ? c_in : counter; /counter=reset ? 0 : en ? counter +1 : counter; end endmodule,从Verilog 到GDSII,以3-8译码器为例 Verilog 逻辑图 网表 模仿真波形 布局 布线 GDSII,Verilog,modu