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計算機組成原理 學習目的和方法計算機發(fā)展簡史 2 計算機組成原理 學分 4學時 64 32先修課程 數(shù)字邏輯 高級語言程序設計后續(xù)課程 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 編譯原理 計算機網(wǎng)絡 3 學習目的 了解計算機的組成五大組成部件掌握計算機的運行原理計算機為什么能執(zhí)行高級語言程序了解現(xiàn)代計算機中的一些核心技術流水 Cache 并行培養(yǎng)設計計算機的技能提高編程能力成為計算機科學家 計算機專家 4 主要教學內(nèi)容 計算機的層次結(jié)構(gòu)運算器的功能 組成和基本運行原理控制器的功能 組成和運行原理存儲器及層次存儲器系統(tǒng)輸入 輸出設備和總線 5 學習目標 掌握單CPU計算機的完整硬件組成基本運行原理內(nèi)部運行機制了解計算機系統(tǒng)的最新發(fā)展達到能獨立設計一臺完整計算機的水平知識和能力兩方面都提高 6 教學環(huán)節(jié)和學習方法 課堂講授閱讀參考資料思考習題完成實驗及報告討論和總結(jié)考試 博學審問慎思明辨篤行 7 考評辦法 習題和作業(yè)作業(yè)缺交2次 含 作業(yè)成績?yōu)?發(fā)現(xiàn)抄襲現(xiàn)象 作業(yè)成績?yōu)? 若作業(yè)成績?yōu)? 則考試無效 作業(yè)要求上交手寫版 不接受電子版和打印版實驗和報告實驗報告可按照要求 提交電子版考試總成績評定If考試成績 全年級考試成績的平均值 2Then總評成績 考試成績 40 Project成績 50 作業(yè)成績 10 Else總評成績 考試成績 8 Project評分標準 自由組合 原則上按組給成績達到基本要求 成績?yōu)?0分獨立實現(xiàn)全部規(guī)定指令及指定的擴展指令 微程序和組合邏輯兩種控制器 獨立完成實驗報告鼓勵在任何方面 尤其是硬件方面的擴展 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 教材 計算機組成與設計 王誠著清華大學出版社 計算機組成與設計實驗指導 第2版 王誠著清華大學出版社參考書目 計算機組成與結(jié)構(gòu) 劉衛(wèi)東編機械工業(yè)出版社 計算機組成 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機械工業(yè)出版社ComputerorganizationandarchitectureDesigningforperformance清華大學出版社其他閱讀材料 10 計算機里有什么 11 計算機基本組成 構(gòu)成計算機的基礎理論大部分已經(jīng)有50年了 目前 計算機的關鍵部件也沒有大的改變CPUDataPathControllerMemoryI O 12 現(xiàn)代計算機 功能部件CPUDataPathControllerMemoryI O IntelPentium 13 計算機運行機制 Datapath 完成算術和邏輯運算 通常包括其中的寄存器 Control CPU的組成部分 它根據(jù)程序指令來指揮datapath memory以及I O運行 共同完成程序功能 Memory 存放運行時程序及其所需要的數(shù)據(jù)的場所 Input 信息進入計算機的設備 如鍵盤 鼠標等 Output 將計算結(jié)構(gòu)展示給用戶的設備 如顯示器 磁盤 打印機 喇叭等 14 VonNeumann計算機 Processor VonNeumannMachine 15 Datapath Memory I O 16 Bus BasedComputer 17 AnatomyofaModernPC 18 Multiprocessors IBMASCIWhite 8Kprocessors 13Tflops 19 計算機剖析 計算機系統(tǒng) 計算機結(jié)構(gòu) 計算機處理器 邏輯設計 電路 VLSI 設計 設備制造 20 計算機剖析 續(xù) 計算機系統(tǒng) 計算機結(jié)構(gòu) 計算機處理器 高級語言 匯編語言 機器語言 21 計算機組成原理 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 計算機組成 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 古代及近代計算技術 公元前500年 中國出現(xiàn)算盤 1642年 BlaisePascal發(fā)明自動進位的加法機器 齒輪驅(qū)動撥盤 在窗口顯示結(jié)果 1822年 CharlesBabbage 微分機 DifferentialEngie 1833年 分析機 AnalyticalEngine 通用機器 16世紀 Alkhowarizmi提出算法概念 并出版以算法 Algorithm 為題的書籍 AdaAugustaLovelace 第一位程序員 28 圖靈機 1937年 AlanTuring提出一種 通用 計算機的概念 它可以執(zhí)行任何一個描述好的程序 算法 實現(xiàn)需要的功能 形成了 可計算性 概念的基礎 存儲程序的思想 使計算機從專用走向通用 正是這一創(chuàng)新 開創(chuàng)了計算機的新時代 50年代 Turing提出了 智能 計算機的概念 Turing測試 29 圖靈機 TuringMachine 確定型圖靈機 有窮符號集P 有窮狀態(tài)集Q 轉(zhuǎn)移函數(shù)F Q P Q P 1 1 通用機 UniversalMachine 概念 有限狀態(tài)控制器 P 讀寫頭 帶 4 3 2 10 1 Q 30 Turing機特點 通用計算機 并不是保存所有問題的結(jié)果 存儲程序計算機 問題的求解由程序或過程給出 程序和過程可以通過語言描述 有限速度 計算機執(zhí)行程序的時間是有限的 有限空間 計算機程序的存放空間和數(shù)據(jù)存放空間也是有限的 是現(xiàn)代計算機的鼻祖 31 VannevarBush Memex 保存有10億本圖書的書柜可按照人們的需要 對圖書進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Web之父 32 現(xiàn)代計算機的里程碑 33 第一臺通用電子計算機ENIAC ElectronicNumericalandIntegrateCalculator MauchlyandEckert設計1946年2月14日第一臺通用電子計算機 設計用于計算火炮的彈道重30噸 占地15000平方英尺 18000個電子管 耗電140KW 運算速度 5000次加法 秒使用十進制數(shù)20個寄存器 每個存放10位的十進制數(shù)通過設置6000個開關和其它眾多的插頭和插座來編程 34 VonNeumann機IAS 現(xiàn)代計算機結(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 存儲器有4096個字 每個字40位 采用二進制數(shù)據(jù) 簡化了存儲器只提供整數(shù)運算 任何有能力的數(shù)學家都能在頭腦中記住小數(shù)點的位置 35 第一臺小型計算機 PDP 1 1957年由DEC公司生產(chǎn)第二代計算機 晶體管 18位字長 4K內(nèi)存 機器周期為5微秒售價120000美元 售出50臺 開創(chuàng)了計算機產(chǎn)業(yè) 36 第一個系列計算機 IBM360 第三代計算機計算機應用 科學計算和商務處理如何在不同的硬件平臺上運行相同的軟件 系列計算機 IBM360計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 程序員眼中的計算機 具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機可以運行相同的程序 微程序控制器 37 應用的普及 IBMPC機 38 RISC計算機 精簡指令系統(tǒng)計算機指令系統(tǒng)盡量簡單 復雜指令通過簡單指令的組合來完成提高計算機的運行速度 39 下一代計算機 Babbage 更快 更高 更強Turing 智能計算機Bush 信息網(wǎng)格 40 小結(jié) 學習方法博學審問慎思明辨篤行計算機組成原理單臺計算機完整的硬件系統(tǒng)的基本原理與內(nèi)部運行機制計算機的層次結(jié)構(gòu)理解計算機系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的鑰匙計算機的發(fā)展歷史以史為鑒 可知