計(jì)算機(jī)組成原理全書電子講義完整版ppt整套教學(xué)課件最全教學(xué)教程

課程導(dǎo)學(xué)譚志虎主要內(nèi)容為什么要學(xué)？課程主要內(nèi)容課程團(tuán)隊(duì)與課程資源教材與參考資料紀(jì)律要求與成績構(gòu)成如何學(xué)？為什么要學(xué)服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)自主可控的國家戰(zhàn)略需求自主CPU、自主OS、自主編譯器龍芯、麒麟、寒武紀(jì)、平頭哥、達(dá)芬奇、鴻蒙、方舟核心專業(yè)基礎(chǔ)課，承上啟下軟件基礎(chǔ)課（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）考研科目硬件基礎(chǔ)課（計(jì)算機(jī)組成原理）考研科目構(gòu)建軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀為什么要學(xué)服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)自主可控的國家戰(zhàn)略需求自主CPU、自主OS、自主編譯器龍芯、麒麟、寒武紀(jì)、平頭哥、達(dá)芬奇、鴻蒙、方舟核心專業(yè)基礎(chǔ)課，承上啟下軟件基礎(chǔ)課（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）考研科目硬件基礎(chǔ)課（計(jì)算機(jī)組成原理）考研科目構(gòu)建軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀核心專業(yè)基礎(chǔ)課，承上啟下計(jì)算機(jī)組成原理數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)匯編語言程序設(shè)計(jì)理解系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)(嵌入式系統(tǒng))(存儲(chǔ)系統(tǒng))(計(jì)算機(jī)系統(tǒng))(網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))(數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))(其他應(yīng)用系統(tǒng))(系統(tǒng)能力)操作系統(tǒng)原理其它基礎(chǔ)課

基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)課

核心專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)課硬件描述語言高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)

介紹運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)。課程主要內(nèi)容：為什么要學(xué)服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)自主可控的國家戰(zhàn)略需求自主CPU、自主OS、自主編譯器龍芯、麒麟、寒武紀(jì)、平頭哥、達(dá)芬奇、鴻蒙、方舟核心專業(yè)基礎(chǔ)課，承上啟下軟件基礎(chǔ)課（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）考研科目硬件基礎(chǔ)課（計(jì)算機(jī)組成原理）考研科目構(gòu)建軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀一個(gè)奇怪的程序main(){

doublea,b,c;intd;

b=3.3;c=1.1;

a=b/c;

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printf("%f,%d",a,d);

if(3.0!=a)

printf("\nReally?3.0!=a");}3.000000,2??????????Really?3.0!=aU盤拔出時(shí)為什么需要安全刪除？后果計(jì)算機(jī)崩潰數(shù)據(jù)丟失原因???程序性能問題以上兩程序功能一樣，時(shí)間空間復(fù)雜度一樣，執(zhí)行時(shí)間一樣嗎？相關(guān)知識(shí)：數(shù)組的存放方式、Cache機(jī)制、訪問局部性#defineN2048voidcopyij(intsrc[N][N],

intdst[N][N]){

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dst[i][j]=src[i][j];}阿里2015筆試一臺(tái)主流配置的PC上，調(diào)用f(35)所需時(shí)間大概是()。intf(intx){

ints=0;while(x++>0)s+=f(x);

return__max(s,1);}A．幾毫秒

B．幾秒

C．幾分鐘

D．幾小時(shí)主要內(nèi)容為什么要學(xué)？課程主要內(nèi)容課程團(tuán)隊(duì)與課程資源教材與參考資料紀(jì)律要求與成績構(gòu)成如何學(xué)？先導(dǎo)課程PrerequisitesC語言程序設(shè)計(jì)數(shù)值邏輯組合電路、同步電路概念、寄存器傳輸、有限狀態(tài)機(jī)匯編語言程序設(shè)計(jì)看懂指令即可Verilog硬件描述語言實(shí)驗(yàn)工具（可選）課程目標(biāo)幫助學(xué)生理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握計(jì)算機(jī)基本組成部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制及硬件功能部件和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。建立硬/軟件協(xié)同的整機(jī)概念，提升學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。工程知識(shí)：使學(xué)生深刻理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲(chǔ)器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和模型進(jìn)行推理和驗(yàn)證；問題分析能力：掌握CPU性能評(píng)估方法、高速緩沖存儲(chǔ)器與虛擬存儲(chǔ)器的相關(guān)性能分析與計(jì)算、數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算方法、指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)、輸入輸出系統(tǒng)等基本量化手段,能運(yùn)用科學(xué)方法對(duì)計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問題解決過程中的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，具備驗(yàn)證解決方案的合理性和對(duì)方案優(yōu)化的能力；設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案的能力：使學(xué)生掌握滿足特定功能要求的運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器等硬件功能件及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，具備硬件系統(tǒng)的開發(fā)能力；課程主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述數(shù)值表示與運(yùn)算方法運(yùn)算器的功能、組成和基本運(yùn)行原理存儲(chǔ)器及層次存儲(chǔ)系統(tǒng)指令系統(tǒng)CPU功能、組成和運(yùn)行原理流水線系統(tǒng)總線輸入輸出系統(tǒng)MachineStructureI/OsystemProcessorCompilerOperatingSystemUnix;WindowsApplication(Netscape)DigitalDesignCircuitDesignInstructionSetArchitectureDatapath&Controltransistors,IClayoutMemoryHardwareSoftwareAssembler本課程內(nèi)容程序員角度理解高級(jí)語言如何執(zhí)行成二值邏輯c=a+b;add$s1,$s2,$s3OP=00181917032鏈接器目標(biāo)代碼機(jī)器語言可執(zhí)行代碼存儲(chǔ)器加載器執(zhí)行C語言編譯器匯編語言匯編器取指令主要內(nèi)容為什么要學(xué)？課程主要內(nèi)容課程團(tuán)隊(duì)與課程資源教材與參考資料紀(jì)律要求與成績構(gòu)成如何學(xué)？課程資源中國大學(xué)MOOC課程

計(jì)算機(jī)組成原理秦磊華計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)譚志虎在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)/paths/1426主要內(nèi)容為什么要學(xué)？課程主要內(nèi)容課程團(tuán)隊(duì)與課程資源教材與參考資料紀(jì)律要求與成績構(gòu)成如何學(xué)？教材及參考資料硬件視角軟件視角同類課程BerkeleyCS61CGreatIdeasinComputerArchitectureCarnegieMellonece447IntroductiontoComputerArchitectureMIT6.004ComputationStructuresStandFordEE282ComputerSystemsArchitectureCS208E

GreatIdeasinComputerScience主要內(nèi)容為什么要學(xué)？課程主要內(nèi)容課程團(tuán)隊(duì)與課程資源教材與參考資料紀(jì)律要求與成績構(gòu)成如何學(xué)？紀(jì)律要求與成績構(gòu)成作業(yè)，實(shí)驗(yàn)嚴(yán)禁抄襲平時(shí)成績10%在線作業(yè)+測試MOOC20%

MOOC平臺(tái)最終成績注冊學(xué)校云、認(rèn)證為華中科技大學(xué)學(xué)生，身份證號(hào)：111111期末考試70%課程目標(biāo)畢業(yè)要求作業(yè)MOOC期末考試1工程知識(shí)57202問題分析能力57203設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案的能力0630主要內(nèi)容為什么要學(xué)？課程主要內(nèi)容課程團(tuán)隊(duì)與課程資源教材與參考資料紀(jì)律要求與成績構(gòu)成如何學(xué)？構(gòu)造觀+系統(tǒng)觀+工程觀的學(xué)習(xí)視角和學(xué)習(xí)方法構(gòu)造觀–掌握設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)功能部件:基本編碼/解碼器、運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)簡單系統(tǒng)系統(tǒng)觀–軟/硬協(xié)同的視角理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及各部分之間的相互影響；理解不同系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)對(duì)程序的影響(功能、性能、可移植性等)建立軟硬協(xié)同概念工程觀–系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視角如何克服工程制約條件？如何降低成本？如何提升性能，提升可靠性，節(jié)約能耗？多實(shí)踐----Logisim平臺(tái)多刷題、多討論、多思考----MOOC平臺(tái)實(shí)驗(yàn)體系課程實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，課外16學(xué)時(shí)校驗(yàn)編碼流水傳輸實(shí)驗(yàn)（漢字編碼轉(zhuǎn)換，編碼實(shí)驗(yàn)）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)（快速加法器，陣列乘法器，MIPSALU，一位乘法器）存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)（存儲(chǔ)擴(kuò)展，MIPS寄存器文件，Cache實(shí)現(xiàn)）CPU設(shè)計(jì)（MIPS多周期微程序，多周期硬布線）課程設(shè)計(jì)32學(xué)時(shí)（兩周集中完成）MIPS單周期CPU（24條共同指令+4條差異化指令）理想流水線、氣泡流水線、重定向流水線單周期中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)、流水中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分支預(yù)測機(jī)制實(shí)現(xiàn)Logisim+FPGA雙方案可選編碼實(shí)驗(yàn)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)MIPSRAM實(shí)驗(yàn)Cache硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)單周期CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)5段流水MIPSCPU設(shè)計(jì)Thanks一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述譚志虎本章主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史原始計(jì)算工具中國人的智慧之光機(jī)械式計(jì)算機(jī)西方人的智慧機(jī)電式計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)最古老的計(jì)算工具算籌春秋時(shí)期出現(xiàn)?？v式和橫式表示自然數(shù)，可進(jìn)行加減乘除、開方及其它的代數(shù)計(jì)算。一縱十橫，百立千僵，“運(yùn)籌帷幄”?？杀硎矩?fù)數(shù)，紅籌表示正數(shù)，黑籌表示負(fù)數(shù)。這種運(yùn)算工具和運(yùn)算方法，在當(dāng)時(shí)世界上是獨(dú)一無二的。祖沖之用15年時(shí)間計(jì)算圓周率，精確到小數(shù)點(diǎn)后7位。最古老的計(jì)算器算盤被譽(yù)作中國“第五大發(fā)明”。陜西歧山西周宮室遺址中出土了90粒青黃兩色陶丸，青色20粒，黃色70粒，將算盤的發(fā)明時(shí)間提前到二千多年前的西周時(shí)期?！皟r(jià)格低廉，絕無故障，節(jié)約能源，十年中無需任何保養(yǎng)”

1621年岡特計(jì)算尺在發(fā)明計(jì)算機(jī)之前，計(jì)算尺是科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中使用最廣泛、應(yīng)用最便捷、最有價(jià)值的計(jì)算工具。在三百余年的輝煌歷史時(shí)間內(nèi)，計(jì)算尺為人類進(jìn)步、世界文明作出了無法估量的偉大貢獻(xiàn)。達(dá)芬奇機(jī)械式計(jì)算機(jī)1500年達(dá)芬奇手稿關(guān)于機(jī)械式計(jì)算工具的描述后人根據(jù)達(dá)芬奇手稿仿制的機(jī)械式計(jì)算機(jī)1642年P(guān)ASCAL(1623)加法機(jī)法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和思想家人類史上第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算機(jī)，其原理對(duì)后續(xù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了持久的影響。齒輪傳動(dòng)完成運(yùn)算。Pascal:人的某些思維過程與機(jī)械過程沒有差別，因此可以用機(jī)械模擬人的思維。1971年瑞典人沃斯發(fā)明PASCAL高級(jí)語言向其表示敬意Pascal機(jī)械加法機(jī)1642Pascal機(jī)械加法機(jī)1642史上第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)十進(jìn)制運(yùn)算齒輪旋轉(zhuǎn)完成加法齒輪傳動(dòng)完成進(jìn)位6543210987+786+543219萊布尼茲乘法機(jī)1673年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲發(fā)明乘法機(jī)，步進(jìn)輪可利用多次加法完成乘法可以運(yùn)行完整四則運(yùn)算。提出了“可以用機(jī)械代替人進(jìn)行繁瑣重復(fù)的計(jì)算工作”的偉大思想。1805Jacquard編程序？？？程序控制思想的萌芽如何將人的思想傳送給機(jī)器，讓機(jī)器按人的意志自動(dòng)執(zhí)行。1725年，法國紡織機(jī)械師B.Bouchon發(fā)明利用穿孔紙帶控制印花的方法。1805J.Jacquard發(fā)明采用穿孔卡片的自動(dòng)提花機(jī)。編程序＝編織花布1821年Babbage差分機(jī)1821年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇發(fā)明差分機(jī)，專門用于航海和天文計(jì)算?？商幚?個(gè)5位數(shù)，計(jì)算精度達(dá)到6位小數(shù)?！安罘帧笔前押瘮?shù)表的復(fù)雜算式轉(zhuǎn)化為差分運(yùn)算，用簡單的加法代替平方運(yùn)算。20歲的巴貝奇從自動(dòng)提花編織機(jī)上獲得了靈感，差分機(jī)設(shè)計(jì)閃爍出了程序控制的靈光──它能夠按照設(shè)計(jì)者的旨意，自動(dòng)處理不同函數(shù)。差分機(jī)DifferenceEngine三個(gè)具有現(xiàn)代意義的裝置保存數(shù)據(jù)的寄存器齒輪式裝置乘法以累次加來實(shí)現(xiàn)控制操作順序，數(shù)據(jù)選擇，結(jié)果輸出最早采用寄存器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)早期程序設(shè)計(jì)思想的萌芽第一個(gè)程序媛AdaAugustaada描述了差分機(jī)如何進(jìn)行編程，最早給出計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的許多想法討論預(yù)言了通用計(jì)算機(jī)的作用，控制卡、數(shù)據(jù)卡、操作卡提出存儲(chǔ)位置或地址的想法“循環(huán)”(looping)的概念三角函數(shù)和級(jí)數(shù)相乘程序、貝努利函數(shù)程序分析機(jī)AnalyticalEngine分析機(jī)AnalyticalEngine1940MechanicalanalogmachinesLordKelvin

飛魚牌手搖計(jì)算機(jī)赫爾曼·霍勒斯制表機(jī)---機(jī)械到電的飛躍赫爾曼·霍勒斯博士發(fā)明穿孔卡片，是電腦軟件的雛形1888年赫爾曼發(fā)明了制表機(jī)，它采用穿孔卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并用電氣控制技術(shù)取代了純機(jī)械裝置。Punchedcard/tapePunchedcardsacceleratedthedevelopmentoftwentiethcenturycommerceandindustry.Punchedcard2000cards,6.6Kg20Kbytes赫爾曼·霍勒斯制表機(jī)1890年，美國人口普查全部采用了霍勒斯制表機(jī)。1900年美國人口普查由于采用了制表機(jī)，全部統(tǒng)計(jì)處理工作只用了1年零7個(gè)月時(shí)間?；衾账褂?896年創(chuàng)立了制表機(jī)公司，1911年并入CTR（計(jì)算制表記錄）公司1924年IBM成立1904年弗萊明發(fā)明真空電子二極管1904年，英國人弗萊明發(fā)明真空電子二極管電子管的誕生，是人類電子文明的起點(diǎn)1906年弗雷斯特發(fā)明真空電子三極管1906年，美國人德弗雷斯特發(fā)明電子三極管。在研究中發(fā)現(xiàn)，三極管可以通過級(jí)聯(lián)使放大倍數(shù)大增。這使得三極管的實(shí)用價(jià)值大大提高，從而促成了無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)代真空電子管1938年朱斯的Z系列計(jì)算機(jī)1938年，德國科學(xué)家朱斯Z-1計(jì)算機(jī)第一臺(tái)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，第一臺(tái)真空電子管計(jì)算機(jī)先后研制出采用繼電器的Z-2、3、4。Z-3使用了2600個(gè)繼電器，1944年美軍空襲柏林時(shí)炸毀。1943年英國“巨人”計(jì)算機(jī)Colossus1943年英國科學(xué)家研制成功第一臺(tái)“巨人”計(jì)算機(jī)，專門用于破譯德軍Enigma密碼。1500個(gè)電子管，5個(gè)處理器并行工作，每個(gè)處理器每秒處理5000個(gè)字母。二戰(zhàn)期間共有10臺(tái)“巨人”在英軍服役，平均每小時(shí)破譯11份德軍情報(bào)電影《模仿游戲》艾肯的MARK—I1944年，美國科學(xué)家艾肯在IBM的支持下，研制成功機(jī)電式計(jì)算機(jī)MARK-I。最早的通用型自動(dòng)機(jī)電式計(jì)算機(jī)之一，取消了齒輪傳動(dòng)裝置，以穿孔紙帶傳送指令。外殼用鋼和玻璃制成，長15米，高2.4米，重31.5噸，15萬個(gè)元件和800公里電線每分鐘進(jìn)行200次運(yùn)算。阿塔納索夫ABC計(jì)算機(jī)1939年，阿塔納索夫設(shè)計(jì)并試制數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的樣機(jī)“ABC機(jī)”。其設(shè)計(jì)方案啟發(fā)了ENIAC開發(fā)小組的莫克利，并直接影響到ENIAC的誕生。1972年美國法院判決ENIAC的專利權(quán)無效，阿塔納索夫擁有作為第一個(gè)電子計(jì)算機(jī)方案提出者的優(yōu)先權(quán)。阿塔納索夫三原則采用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算；采用電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制和運(yùn)算；采用把計(jì)算功能和存儲(chǔ)功能相分離的結(jié)構(gòu)。ABC計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，美國賓夕法尼亞大學(xué)1946年研制成功。18000多個(gè)電子管，1500多個(gè)繼電器，耗電150千瓦，重30噸，占地150平方米，運(yùn)算速度5000次/秒左右。性能低，耗費(fèi)巨大，但卻是科學(xué)史上的一次劃時(shí)代的創(chuàng)新，奠定了電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，宣告人類進(jìn)入電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。開發(fā)團(tuán)隊(duì)“莫爾小組”由四位科學(xué)家和工程師埃克特、莫克利、戈?duì)査固?、博克斯組成，總工?？颂禺?dāng)時(shí)年僅24歲。ENIACACMandIEEEComputerSocietyEckert-MauchlyAwardENIACVacuumtubeinENIACInputPannel(42)ENIACProgrammingDebug(線路檢查)7人獲先驅(qū)獎(jiǎng)莫克利艾克特戈?duì)査固拱涂怂怪靷鏖叭蹇品蚝账够鵈NIAC的問題十進(jìn)制計(jì)算機(jī)每一位數(shù)由一圈共10個(gè)真空管表示通過開關(guān)和插拔電纜進(jìn)行手動(dòng)編程輸入程序和數(shù)據(jù)可能需要半天時(shí)間能否將程序和數(shù)據(jù)存在存儲(chǔ)器中？EVDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父1944~1945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾伊曼在第一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)ENIAC尚未問世時(shí)注意到其弱點(diǎn)，并提出一個(gè)新機(jī)型EDVAC的設(shè)計(jì)方案，提到了兩個(gè)設(shè)想：采用二進(jìn)制和“存儲(chǔ)程序”，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)最主要思想，“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”，馮·諾伊曼機(jī)體系延續(xù)至今。20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一，因其在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、博弈論等領(lǐng)域的重大貢獻(xiàn)成為美國科學(xué)院院士?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)布爾代數(shù)計(jì)算機(jī)三原則圖林機(jī)維納現(xiàn)代計(jì)算機(jī)五大原則計(jì)算機(jī)開關(guān)電路馮諾依曼計(jì)算機(jī)原理布爾代數(shù)1847和1854年，英國數(shù)學(xué)家布爾發(fā)表了兩部重要著作《邏輯的數(shù)學(xué)分析》和《思維規(guī)律的研究》，創(chuàng)立了邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)系統(tǒng)采用二進(jìn)制，是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)。圖林機(jī)1936年，24歲的英國數(shù)學(xué)家圖林發(fā)表著名論文《論可計(jì)算數(shù)及其在密碼問題的應(yīng)用》，提出了“理想計(jì)算機(jī)”

“圖林機(jī)”圖林通過數(shù)學(xué)證明得出理論上存在“通用圖林機(jī)”，這為可計(jì)算性的概念提供了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，圖林機(jī)成為現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它證明通用數(shù)字計(jì)算機(jī)是可以制造出來的現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型1940年著名論文《計(jì)算機(jī)能思考嗎？》，對(duì)人工智能進(jìn)行了探索，并設(shè)計(jì)了著名的“圖林測驗(yàn)”。1954年圖林英年早逝，年僅42歲。TuringMachine,1936Anabstractmodelofacomputingmachine-afinitestatemachine-aread/writehead-aninfinitescannabletapeofsymbols(e.g.,0sand1s)AnyconceivablealgorithmcanbereducedtoaTuringmachineAuniversalmachine:canemulateanyconceivablecomputingmechanism1940年維納現(xiàn)代計(jì)算機(jī)五原則美國科學(xué)家維納闡述了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的五點(diǎn)設(shè)計(jì)原則數(shù)字式而不是模擬式以電子元件構(gòu)成并盡量減少機(jī)械裝置采用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制內(nèi)部存放計(jì)算表內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。1948年完成了著作《控制論》控制論的創(chuàng)始人，對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展和人工智能的研究產(chǎn)生了深刻的影響。計(jì)算機(jī)開關(guān)電路1938年，信息論的創(chuàng)始人、美國科學(xué)家香農(nóng)發(fā)表論文《繼電器和開關(guān)電路的符號(hào)分析》首次闡述了如何將布爾代數(shù)運(yùn)用于邏輯電路，奠定了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)開關(guān)電路的理論基礎(chǔ)。1946-1959第一代電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代UNIVAC?？颂睾湍死谝粋€(gè)進(jìn)行批量生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)1951年，電腦開始走出實(shí)驗(yàn)室服務(wù)于社會(huì)與公眾1952年，UNIVAC因準(zhǔn)確地預(yù)測美國總統(tǒng)大選結(jié)果EDVAC馮諾依曼1950問世的第一臺(tái)并行計(jì)算機(jī)EDVAC首次實(shí)現(xiàn)了馮·諾依曼的兩個(gè)重要設(shè)想：存儲(chǔ)程序和采用二進(jìn)制IBM7011952年IBM701在商戰(zhàn)中擊敗UNIVAC使IBM實(shí)現(xiàn)了全面的轉(zhuǎn)型，奠定IBM產(chǎn)業(yè)霸主地位負(fù)責(zé)人杰里爾.哈達(dá)德納撒尼爾.羅切斯特IEEE先驅(qū)獎(jiǎng)存儲(chǔ)器的出現(xiàn)1951年，中國移民王安發(fā)明了磁芯存儲(chǔ)器，IBM于1956年購買了這項(xiàng)技術(shù)專利。比爾·蓋茨曾說過如果在80年代那位“眼光遠(yuǎn)大的工程師”沒有貽誤戰(zhàn)機(jī)的話，今天可能就沒有什么微軟公司了?！拔铱赡芫驮谀硞€(gè)地方成了一位數(shù)學(xué)家，或一位律師，而我少年時(shí)代在個(gè)人計(jì)算機(jī)方面的迷戀只會(huì)成為我個(gè)人的某種遙遠(yuǎn)的回憶?！?/p>

高級(jí)語言的出現(xiàn)1955年，IBM公司的巴克斯研制成功第一個(gè)高級(jí)程序語言FORTRAN，它被廣泛用于科學(xué)計(jì)算。1959-1964晶體管造就第二代計(jì)算機(jī)1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室肖克萊、巴丁、布拉頓發(fā)明點(diǎn)觸型晶體管；1950年又發(fā)明了面結(jié)型晶體管。晶體管體積小、重量輕、壽命長、發(fā)熱少、功耗低，電子線路結(jié)構(gòu)大大改觀，運(yùn)算速度大幅提高。肖克萊（左）、巴?。ㄖ校?、布拉頓（右）于1956年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。八叛逆1959-1964晶體管造就第二代計(jì)算機(jī)1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于研制成功第一臺(tái)使用晶體管的第二代計(jì)算機(jī)TRADIC。相比采用定點(diǎn)運(yùn)算的第一代計(jì)算機(jī)，第二代計(jì)算機(jī)普遍增加了浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。IBM1958年制成的1401及后續(xù)的1410/1440系列計(jì)算機(jī)，是第二代計(jì)算機(jī)中的代表二代計(jì)算機(jī)除了用于科學(xué)計(jì)算，還逐漸被工商企業(yè)用來進(jìn)行商務(wù)處理高級(jí)語言FORTRAN和COBOL因此也得到了廣泛應(yīng)用。TRADICIBM14011964-1970第三代計(jì)算機(jī)1958年，美國物理學(xué)家基爾比和諾伊斯同時(shí)發(fā)明集成電路。集成電路的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)脫胎換骨2000NobelPrize世紀(jì)豪賭IBMS/360S/360極強(qiáng)的通用性適用于各方面的用戶，它具有360度”全方位的特點(diǎn)，因此得名。IBM投入了50億美元的研發(fā)費(fèi)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)過制造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”的20億美元。RobortEvansGeneMyronAmdahlF.P.Brooks,Jr.ErichBlochGerritAnneBlaauw霍夫和Intel40041971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開始。1971年11月，Intel推出MCS-4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器。Intel40042300個(gè)晶體管，性能遠(yuǎn)超當(dāng)年的ENIAC，售價(jià)200美元。Intel80081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個(gè)8位微處理器Intel8008。8008采用的是P溝道MOS微處理器，屬第一代微處理器。8080第二代微處理器1973年，霍夫等人研制出8位微處理器Intel8080NMOS電路取代了P溝道主頻2MHz，比8008快10倍可存取64KB存儲(chǔ)器，6微米技術(shù)，6000個(gè)晶體管0.64MIPS。第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)：Altair88001975年4月，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型Altair8800，售價(jià)375美元，帶有1KB存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。Altair定位在青年電腦迷市場PaulAllen和BillGates在三周內(nèi)為Altair開發(fā)出BASIC語言，MITS成為兩個(gè)未來富翁的第一個(gè)客戶。/Altair8800-100-Z80微處理器Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。Zilog、Motorola、Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。-101-Intel8086第三代微處理器1978年，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個(gè)3微米技術(shù)的晶體管，售價(jià)360美元。

Apple1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs開發(fā)出微型計(jì)算機(jī)AppleI，愚人節(jié)這天，兩個(gè)Steve成立了Apple計(jì)算機(jī)公司。AppleII是第一個(gè)帶有彩色圖形的個(gè)人計(jì)算機(jī)，售價(jià)為1300美元。AppleII及其系列改進(jìn)機(jī)型風(fēng)靡一時(shí)，使Apple成為微型機(jī)時(shí)代最成功的計(jì)算機(jī)公司。1981-PC元年1980年7月，“跳棋計(jì)劃”的13人小組秘密來到佛羅里達(dá)州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心，次年8月12日，IBMPC誕生。IBM將其命名為PersonalComputerCPU為主頻4.77MHz的Intel8088OS：MicrosoftMS-DOS計(jì)算機(jī)的發(fā)展日新月異從CPU的發(fā)展來看4004－>8008->8086->8088->80186->80286->80386->80486-586->pentium->PII->PIII->P4->Core2從計(jì)算機(jī)的規(guī)模，運(yùn)算速度上看，巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)HistoryofIntel?CPU400480088080808680186802868038680486HistoryofIntel?CPUpentiumPentiumMMXPentiumPROPentiumIIPentiumIIIPentium4PentiumD（雙核）Core264bitsHistoryofIntel?CPUHistoryofIntel?CPU年份CPU型號(hào)頻率19788086/80885-10MHz1982802866-12MHz1985Intel386?16-33MHz1989Intel486?DX25-50MHz1993Pentium?60-233MHz1997Pentium?II233-450MHz1999Pentium?III450M-1GHz2000Pentium?41.4-3.2GHz近100年技術(shù)的變革機(jī)械計(jì)算機(jī),19世紀(jì)齒輪,鏈條,滑輪,蒸汽機(jī)穿孔卡片機(jī)電計(jì)算機(jī),20世紀(jì)早期開關(guān),繼電器水銀延遲線電子計(jì)算機(jī),20世紀(jì)中期開始至今線路連接板,真空管,CRT,晶體管DRAM,磁存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第一代第二代第三代第四代年代1946~1958~1965~1971~基礎(chǔ)器件電子管晶體管集成電路超大規(guī)模集成電路運(yùn)算速度幾千~幾萬次/s幾萬~幾萬次/s幾十萬~幾百萬次/sMIPS->GIPS->TIPS存儲(chǔ)器水銀延遲線磁鼓、紙帶、卡片磁芯磁盤、磁帶半導(dǎo)體磁盤半導(dǎo)體磁盤特征機(jī)器語言匯編語言算法語言FORTRAN、ALGOL-60、COBOL操作系統(tǒng)軟件技術(shù)、外設(shè)發(fā)展迅速小型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)多機(jī)處理/網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用范圍科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理

速度越來越快、體積越來越小、成本越來越低、功耗越來越低計(jì)算機(jī)發(fā)展的規(guī)律微處理器內(nèi)晶體管數(shù)每十八個(gè)月翻一番如保持計(jì)算能力不變，微處理器價(jià)格，每18個(gè)月減少一半未來25年（1996年預(yù)言），主干網(wǎng)帶寬每6個(gè)月增加一倍DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍網(wǎng)絡(luò)價(jià)值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比硬盤的密度每年增加約一倍從現(xiàn)在起，每18個(gè)月新增的存儲(chǔ)量等于有史以來存儲(chǔ)量之和!Moore定律Bell定律Gilder定律DRAM發(fā)展Metcalfe定律硬盤發(fā)展規(guī)律新摩爾定律1965年Moore’sLaw計(jì)算設(shè)備體積隨著半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展呈指數(shù)式縮小-114-我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展1953年開始，1958年研究出第一臺(tái)計(jì)算機(jī)103型通用計(jì)算機(jī)。50年來相繼研究出了第二代，第三代計(jì)算機(jī)。80年代研究出了每秒１億次的巨型機(jī)，銀河I,II,其他如曙光天演1985年6月，中國第一臺(tái)自行研制的微機(jī)長城0520研制成功廣告詞：“一臺(tái)我們自己制造的能夠處理中文的電腦”。高性能計(jì)算，并行計(jì)算上已緊跟國際先進(jìn)水平，但計(jì)算機(jī)的核心部件CPU技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。中科院研究開發(fā)的龍芯／GODSON國產(chǎn)芯片現(xiàn)狀龍芯、飛騰、申威、兆芯、海光海思、展訊，松果指令集分類MIPS陣營龍芯X86陣營兆芯（VIA），海光（AMD）自主指令申威(Alpha指令集擴(kuò)展)ARM陣營飛騰，海思，展訊，松果RISC-V陣營阿里-平頭哥主頻，微結(jié)構(gòu)上還存在較大性能差異FutureofComputersEndofMoore’slawVLSItechnologypredictednottoscalepass2015Transistorsizewillbemeasuredinatomsandnodechargewillbemeasuredinelectrons!!manypreviously-unimportantproblemswillstarttocreepinbetweennowandthen,e.g.,complexity,wiredelay,powerandreliabilityNon-vonNeumannarchitecturesparallelanddistributedprocessingreconfigurablehardwarecomputingNon-silicontechnologiesnanotechnologies:carbontransistors,molecularswitchesbiological/cellularcomputers:DNA,proteinsandenzymesquantumcomputers:magneticresonanceandquantumdots.本章主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件：一切構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論大部分已經(jīng)有60年但是計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件沒有大的改變input(mouse,keyboard)output(display,printer)memory(diskdrives,DRAM,SRAM,CD)Network技術(shù)革新迅速vacuumtube->transistor->IC->VLSIdoublingevery1.5years:memorycapacityprocessorspeedWhatisaComputer?User’sViewApplicationProgramsOSUtilitiesHardwarePeripheralsProgrammer’sViewHLL(e.g.C,C++,Pascal)MachineindependentAssemblyLanguageInstructionsMemoryRegistersArchitect’sViewDatapathRegisters,ALU,etc.ControlUnitExternalsMemorySystemI/OSystemLogicDesigner’sView32IR2..031..031DecoderBus543321100=00

0<

0CONinDQQCON馮諾依曼思想存儲(chǔ)程序：將程序存放在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中；程序控制：按指令地址訪問存儲(chǔ)器并取出指令，經(jīng)譯碼依次產(chǎn)生指令執(zhí)行所需的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算的控制，完成指令的功能。（指令系統(tǒng)、控制器設(shè)計(jì)等）（存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建與快速訪問）馮諾依曼思想存儲(chǔ)程序、程序控制、計(jì)算機(jī)五大功能部件運(yùn)算器完成算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算控制器控制指令的執(zhí)行，根據(jù)指令功能給出實(shí)現(xiàn)指令功能所需的控制信號(hào)主存儲(chǔ)器存放程序及數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備總線（地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線）外圍設(shè)備HOST存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU運(yùn)算器控制器BUS硬件：對(duì)數(shù)字操作的機(jī)器系統(tǒng)數(shù)字硬件：

對(duì)數(shù)字進(jìn)行處理、傳輸、和存儲(chǔ)的硬件轉(zhuǎn)換硬件：將各種形式的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，或者將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為各種形式的硬件（圖像、聲音、文字輸入輸出設(shè)備，目前重要的設(shè)備是顯示器）-124-IA-32IA-32X86-64127計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件是載體，軟件是靈魂。互相依存：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須配備完善的軟件系統(tǒng)，軟件應(yīng)充分發(fā)揮硬件的功能邏輯等效性：某些功能既可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件來實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展：軟件隨硬件技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展，而軟件的不斷發(fā)展善又促進(jìn)硬件更新軟件：一切程序的集合，可運(yùn)行的思想和內(nèi)容的數(shù)字化變現(xiàn)形式：程序和數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件固件（Firmware）具有軟件功能，具有硬件形態(tài)的部件OperatingSystems1960’sIBMOS/360,HoneywellMultics,FernadoJoseCorbatóIEEEComputerPioneerAward,1982ACMTuringAward,1990F.P.Brooks,Jr.OS/360HoneywellMulticsFernadoJoseCorbatóOperatingSystems1991,LinusTorvaldsUnix-likeoperatingsystems386(486)AT,bash(1.08),gcc(1.40)PosixcomplaintversionofUnixoperatingsystemAvailableonawidearrayofcomputersFromhandhelddevicestomainframecomputerswristwatch-130-WehaveseenabunchofOperatingSystemsUtilitiesProgramminglanguageANSICCompilerGNU-gccToolsGNUtoolchainGNUFreesoftwareRichardStallman,1984AcompleteUnix-likesystemwithsourcecodeAnenvironmentAllmajorcomponentsofaUnixoperatingsystemExceptforkernelTheCProgrammingLanguageCwasdevelopedin1969to1973byDennisRitchieofBellLaboratories.TheAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)ratifiedtheANSICstandardin1989.theClanguageandasetoflibraryfunctionsknownastheCstandardlibrary.CwascloselytiedwiththeUnixoperatingsystemCwasdevelopedfromthebeginningasthesystemprogramminglanguageforUnix.MostoftheUnixkernel,andallofitssupportingtoolsandlibraries,werewritteninC.Cisthelanguageofchoiceforsystem-levelprogramming本章主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)不同用戶處在不同層次不同層次具有不同屬性不同層次使用不同工具不同層次代碼效率不同本章主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)非時(shí)間指標(biāo)機(jī)器字長總線寬度主存容量、存儲(chǔ)帶寬CPU內(nèi)核數(shù)時(shí)間指標(biāo)主頻、周期、外頻、倍頻CPI、IPCMIPS、MFLOPSCPU執(zhí)行時(shí)間非時(shí)間指標(biāo)機(jī)器字長(非時(shí)間指標(biāo))由運(yùn)算器、寄存器的位數(shù)決定；一般與內(nèi)部寄存器的位數(shù)相等；字長決定數(shù)據(jù)表示范圍與精度；目前常見的有32位和64位字長。寄存器累加器1)機(jī)器字長:機(jī)器一次能處理的二進(jìn)制位數(shù)非時(shí)間指標(biāo)總線寬度運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)總線位數(shù)。有些計(jì)算機(jī)內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致：8086、80286、80386內(nèi)外數(shù)據(jù)總線等寬；Pentium外總線64位，內(nèi)總線32位（兩條32位流水線）

2)總線寬度：數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的最大信息位數(shù)CPU存儲(chǔ)器地址數(shù)據(jù)非時(shí)間指標(biāo)主存容量與存儲(chǔ)帶寬(非時(shí)間指標(biāo))3)主存容量與存儲(chǔ)帶寬主存容量：是指一臺(tái)計(jì)算機(jī)主存所包含的存儲(chǔ)單元總數(shù)。存儲(chǔ)帶寬：指單位時(shí)間內(nèi)與主存交換的二進(jìn)制信息量，單位Byte/s。(影響存儲(chǔ)帶寬的指標(biāo)包括數(shù)據(jù)位寬和數(shù)據(jù)傳輸速率)。CPU時(shí)間（時(shí)間指標(biāo)）頻率，時(shí)鐘周期，外頻，倍頻CPI

(ClockcyclesPerInstruction)ADDMOVDIVMUL定點(diǎn)/浮點(diǎn)指令I(lǐng)PC(InstructionsPerClockcycle)強(qiáng)調(diào)并行MIPS/MFLOPSCPU時(shí)間時(shí)間指標(biāo)主頻fCPU工作的時(shí)鐘頻率，與CPU運(yùn)算能力之間不是唯一的、直接關(guān)系；時(shí)鐘周期T=1/f計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)鐘周期CPU僅完成一個(gè)最基本的動(dòng)作；外頻系統(tǒng)總線的工作頻率，CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度，標(biāo)準(zhǔn)外頻66MHz、100MHz、133MHz、200MHz、400MHz倍頻主頻=外頻×倍頻，Pentium42.4G主頻2400M=133M(外頻)×18(倍頻)調(diào)整倍頻可以獲得較高的主頻，486后出現(xiàn)的技術(shù)，使得外設(shè)低頻，CPU高頻CPU-ZCPI(ClockcyclesPerInstruction)執(zhí)行一條指令(平均)需要的時(shí)鐘周期數(shù)單條指令CPI一段程序中所有指令的CPI指令系統(tǒng)CPICPI=一段程序中所有指令的時(shí)鐘周期數(shù)之和/指令條數(shù)//統(tǒng)計(jì)

=程序中各類指令的CPI程序中該類指令的比例

//加權(quán)ADD---Intel80386手冊MOV---Intel80386手冊MUL、DIV---Intel80386手冊MIPS(MillionInstructionsPerSecond)表示每秒鐘執(zhí)行指令的條數(shù)(以百萬條為單位)MIPS

指令條數(shù)106

程序的執(zhí)行時(shí)間Te=MIPS106=指令條數(shù)執(zhí)行時(shí)間

(所有指令CPU時(shí)鐘周期數(shù)之和/f)=指令條數(shù)106fCPI=106=IPC*f例子例1假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)主頻為1GHZ，在其上運(yùn)行由2105條指令組成的目標(biāo)代碼，程序主要由4類指令組成，他們所占的比例和各自的CPI如下表所示，求程序的CPI和MIPS。指令類型CPI指令比例算術(shù)和邏輯160%Load/Store218%轉(zhuǎn)移412%Cache缺失訪存810%解：CPI=1*60%+2*18%+4*12%+8*10%=2.24MIPS=f/(CPI*106)=1*109/(2.24*106)=446.4MFLOPS(MillionFloating-PointOperationsPerSecond)計(jì)算機(jī)每秒鐘執(zhí)行浮點(diǎn)操作的次數(shù)MIPS：單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令條數(shù)MFLOPS=程序中的浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)/(執(zhí)行時(shí)間

106

）

MFLOPS(Mega)

=106

FLOPSGFLOPS(Giga)=109

FLOPSTFLOPS

(Tera)=1012

FLOPSPFLOPS

(Peta)=

1015

FLOPSEFLOPS

(Exa)=

1018FLOPSCPU執(zhí)行

執(zhí)行一段程序所需的時(shí)間

(CPU時(shí)間+I/O時(shí)間+存儲(chǔ)訪問時(shí)間+各類排隊(duì)時(shí)延等)

CPU時(shí)間=程序中所有指令的時(shí)鐘周期數(shù)之和T

=程序中所有指令的時(shí)鐘周期數(shù)之和/fCPU時(shí)間=CPI指令條數(shù)時(shí)鐘周期CPU時(shí)間=指令條數(shù)/(MIPS*106)

例子例1假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)主頻為1GHZ，在其上運(yùn)行由2105條指令組成的目標(biāo)代碼，程序主要由4類指令組成，他們所占的比例和各自的CPI如下表所示，求程序的CPI和MIPS，求程序執(zhí)行時(shí)間？指令類型CPI指令混合比例算術(shù)和邏輯160%Load/Store218%轉(zhuǎn)移412%Cache缺失訪存810%解：CPU時(shí)間=2105CPI/f=(2105

2.24/109)=4.4810-4

(秒)

CPU時(shí)間=指令條數(shù)/MIPS*106

=2105

/446.44*106CPI=2.24MIPS=446.4時(shí)間指標(biāo)的應(yīng)用思考計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)是確定的嗎？如何合理利用時(shí)間指標(biāo)評(píng)測計(jì)算機(jī)性能？f、CPI、MIPS、CPU時(shí)間在評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能方面的特點(diǎn)和不足?如何科學(xué)合理測試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合性能?有哪些常用測試工具?測試結(jié)果能否真實(shí)反映計(jì)算機(jī)的實(shí)際性能?關(guān)鍵時(shí)間指標(biāo)實(shí)際上頻率和IPC真正決定CPU性能CPU性能=IPC×頻率(MHz時(shí)鐘速度)由英特爾提出并被業(yè)界廣泛認(rèn)可主頻為800MHz的安騰處理器&1800MHz的奔騰4處理器企業(yè)服務(wù)器與臺(tái)式機(jī)CPU時(shí)間指標(biāo)的應(yīng)用思考計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)是確定的嗎？硬件或軟件指標(biāo)如何影響影響什么算法影響指令數(shù)量和指令類型

CPI、MIPS、CPU時(shí)間編程語言影響指令數(shù)量和指令類型

CPI、MIPS、CPU時(shí)間編譯程序影響指令數(shù)量和指令類型CPI、MIPS、CPU時(shí)間指令集體系結(jié)構(gòu)全面影響f/TCPIMIPSCPU時(shí)間計(jì)算機(jī)性能測試性能測試原理計(jì)算機(jī)中配置了大量傳感器和狀態(tài)寄存器通過讀取相應(yīng)寄存器的值得到系統(tǒng)運(yùn)行的狀況通過實(shí)際運(yùn)行測試關(guān)鍵指標(biāo)獲取性能數(shù)據(jù)性能測試工具分類CPU測試工具顯卡測試工具磁盤測試工具內(nèi)存測試工具CPU測試工具CPUmark

:綜合CPU測試，包括系統(tǒng)存儲(chǔ)，浮點(diǎn)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；SysID

:測試CPU電壓，運(yùn)行頻率，L1、L2Cache等參數(shù)；HotCPUTester:可測試機(jī)器穩(wěn)定性，尤其是超頻后的穩(wěn)定性，找出CPU的最高超頻點(diǎn)或缺陷，還可檢測CPU的詳細(xì)性能指標(biāo)并給出量化的分?jǐn)?shù)值。包括「復(fù)雜矩陣」「排序算法」「快速傅立葉變換」「CPU緩存」「內(nèi)存」「硬盤」及指令集等。另外其CPU/MemBurn-in）還可以作為新購機(jī)時(shí)的烤機(jī)軟件來使用。顯卡測試工具3DMark:除衡量顯卡性能外，已漸漸轉(zhuǎn)變成一款衡量整機(jī)性能的軟件；已發(fā)行3Dmark99、3Dmark11和Thenew3DMark等近10個(gè)版本；N-Bench2:重點(diǎn)測試CPU以及系統(tǒng)圖形性能；FurMark：通過皮毛渲染算法來衡量顯卡的性能及其穩(wěn)定性，提供了全屏/窗口、預(yù)定分辨率、基于時(shí)間或幀的測試、多種多重采樣反鋸齒、競賽等多種模式。內(nèi)存測試工具CTSPD

:選擇主板廠商及型號(hào)后可詳細(xì)測試內(nèi)存的信息，包括:CASlatency(列地址選通時(shí)延)、RAStoCASdelay(RAS到CAS的相對(duì)延遲時(shí)間)、RASprechargeTrp(RAS預(yù)充電時(shí)間)、DIMM內(nèi)存生產(chǎn)廠商和DIMM編號(hào)等信息。MemorySpeed:通過讀寫不同大小的塊狀數(shù)據(jù)來測試內(nèi)存的性能；MemoryTransferTimingUtility:通過對(duì)源文件和目標(biāo)文件進(jìn)行校正和非校正復(fù)制，測試內(nèi)存的讀、寫速率；綜合測試工具計(jì)算機(jī)性能測試Benchmark用基準(zhǔn)程序來評(píng)測計(jì)算機(jī)的性能專門用來進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的一組程序,運(yùn)行實(shí)際負(fù)載來反映性能最好的基準(zhǔn)程序是用戶實(shí)際使用的程序或典型的簡單程序基準(zhǔn)程序的缺陷基準(zhǔn)程序性能與某段短代碼密切相關(guān)時(shí)，會(huì)被利用以得到不當(dāng)?shù)男阅茉u(píng)測結(jié)果，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員或編譯器開發(fā)者針對(duì)這些代碼片段進(jìn)行特殊的優(yōu)化，使得執(zhí)行這段代碼的速度非常快IntelPentium處理器運(yùn)行SPECint時(shí)用了公司內(nèi)部使用的特殊編譯器，使其性能極高矩陣乘法程序SPECmatrix300有99%的時(shí)間運(yùn)行在一行語句上，有些廠商用特殊編譯器優(yōu)化該語句，使性能達(dá)VAX11/780的729.8倍！性能測試程序計(jì)算機(jī)綜合測試程序SPEC定點(diǎn)運(yùn)算性能測試Dhrystone測試編譯器和CPU定線運(yùn)算性能C語言編寫浮點(diǎn)運(yùn)算性能測試LinPack求解密集線性代數(shù)方程組程序包Whetstone浮點(diǎn)+定點(diǎn)Fortran編寫數(shù)據(jù)庫性能測試TPCTPC不給出基準(zhǔn)程序的代碼，而只給出基準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試者可以根據(jù)規(guī)范，最優(yōu)地構(gòu)造出自己的測試系統(tǒng)(測試平臺(tái)和測試程序)并行運(yùn)算測試NPB太湖之光----全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)之首國際超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500組織是發(fā)布全球已安裝的超級(jí)計(jì)算機(jī)性能排名的權(quán)威機(jī)構(gòu)，以系統(tǒng)的實(shí)測速度(Linpack測試值)為基準(zhǔn)進(jìn)行排名，每年發(fā)布兩次。/2014年11月，中國國防科技大學(xué)研制的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，以每秒33.86千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度獲得四連冠。2015年7月，天河二號(hào)連續(xù)5次位居世界超算500強(qiáng)榜首。2016-2018SunwayTaihuLight

-（太湖之光）2018-2019美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)Summit（頂點(diǎn)）神威太湖之光三連冠神威太湖之光IBMSummitThanks二、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示本章主要內(nèi)容2.1數(shù)據(jù)表示的作用2.2數(shù)值數(shù)據(jù)表示2.3非數(shù)值數(shù)據(jù)表示2.4數(shù)據(jù)信息的校驗(yàn)2.1數(shù)據(jù)表示的作用將數(shù)據(jù)按照某種方式組織，以便機(jī)器硬件能直接識(shí)別和使用數(shù)據(jù)表示考慮因素?cái)?shù)據(jù)的類型：

數(shù)值/非數(shù)值、小數(shù)、整數(shù)、英文字符、漢字表示的范圍和精度：滿足日常計(jì)算需要存儲(chǔ)和處理的代價(jià)：硬件開銷，處理性能軟件的可移植性：方便在不同機(jī)器之間移植現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制進(jìn)行數(shù)據(jù)表示可以表示任何數(shù)據(jù)信息狀態(tài)數(shù)最少，易與簡單的物理狀態(tài)對(duì)應(yīng)，運(yùn)算電路易實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)制編碼特點(diǎn)十進(jìn)制0123456789共10種狀態(tài)，狀態(tài)過多運(yùn)算組合狀態(tài)過多10進(jìn)制加法組合數(shù)=C102+10=558進(jìn)制36

種2進(jìn)制3

種二進(jìn)制符號(hào)數(shù)最少，“0、1”

物理上容易實(shí)現(xiàn)，可以表示任何對(duì)象(字符，數(shù)值，邏輯值)運(yùn)算規(guī)則簡單0+1=1+0=11+1=00+0=0僅僅三種運(yùn)算規(guī)則，一個(gè)異或門即可完成該運(yùn)算進(jìn)制表示N代表一個(gè)數(shù)值r是這個(gè)數(shù)制的基(Radix)i表示這些符號(hào)排列的位號(hào)Di

是位號(hào)為i的位上的一個(gè)符號(hào)ri

是位號(hào)為i的位上的1代表的值Di*ri是第i位的所代表的實(shí)際值，表示m+k+1位的值求累加和(10456)10＝1×104＋0×103＋4×102＋5×101＋6×100(0xF96)16＝F×162＋9×161＋6×100(10010001)2＝1×27＋0×26＋0×25＋1×24＋0×23＋0×22＋0×21＋1×20進(jìn)制轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)八進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)十六進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)十進(jìn)制十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制二到八或十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換二進(jìn)制轉(zhuǎn)到八進(jìn)制

從小數(shù)點(diǎn)向左右三位一分組

(10011100.01)2

(10011100.010)2=(234.2)8

二進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制

從小數(shù)點(diǎn)向左右四位一分組

(10011100.01)2

(10011100.0100)2=(9C.4)16小數(shù)部分不足位數(shù)要補(bǔ)零湊足，否則出錯(cuò)十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制11÷2=5……15÷2=2……1

2÷2=1……01÷2=0……10.6*2=1.20.2*2=0.40.4*2=0.80.8*2=1.6高位高位除盡為止

1011余數(shù)為零或滿足位數(shù)為止

0.10011001…整數(shù)部分除2取余小數(shù)部分乘2取整11.6轉(zhuǎn)二進(jìn)制進(jìn)制轉(zhuǎn)換的簡單運(yùn)算方法－17/128的二進(jìn)制表示方法???大數(shù)的轉(zhuǎn)換方法，記住幾個(gè)常用的2的冪25＝3226＝6427＝12828＝25629＝512210＝1024(1Kilo)211＝2048212＝4096213＝8192214＝16384215＝32768216＝65536220＝1048576(1Mega)230＝1073741824(1Giga)240＝1Tera更大的單位？250＝1Peta

260＝1Exa

270＝1Zetta280＝1Yotta幾個(gè)簡化運(yùn)算的例子130=128+2=1000001065539=65536+3=100000000000000112010=2047-37=111111111111-32-4-1111111110111＝212-1-817/128=10001/10000000=0.0010001Kilo,Mega,Giga,Tera,Peta,Exa,Zetta,Yotta/cuu/Units/binary.html1TB=???Byte1TBdrive＝1x1012

＝931x230

bytes1Mbits/s=???1Mbit/s=106bps硬盤廠商及通訊行業(yè)是計(jì)算機(jī)行業(yè)唯一使用SI因子的1999NewIECStandardPrefixesSI(InternationalSystemofUnits)僅指10進(jìn)制234可以訪問多少存儲(chǔ)單元?2.5TiB存儲(chǔ)空間需要多少地址線進(jìn)行譯碼？本章主要內(nèi)容2.1數(shù)據(jù)表示的作用2.2數(shù)值數(shù)據(jù)表示2.3非數(shù)值數(shù)據(jù)表示2.4數(shù)據(jù)信息的校驗(yàn)2.2數(shù)值數(shù)據(jù)表示方法2.2.1數(shù)的機(jī)器碼表示2.2.2定點(diǎn)數(shù)表示2.2.3浮點(diǎn)數(shù)表示2.2.4十進(jìn)制編碼2.2.5計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)類型2.2.1數(shù)的機(jī)器碼表示真值

(書寫用)將用“+”、“-”

表示正負(fù)的二進(jìn)制數(shù)稱為真值機(jī)器不能識(shí)別書寫格式，計(jì)算機(jī)如何表示負(fù)數(shù)？機(jī)器碼

(機(jī)器內(nèi)部使用)將符號(hào)和數(shù)值一起編碼表示的二進(jìn)制數(shù)稱為機(jī)器碼原碼Signedmagnitude 反碼One’scomplement補(bǔ)碼

Two’scomplement 移碼

Biasednotation計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的某個(gè)32位編碼到底是什么編碼？原碼表示法（Signedmagnitude）增加符號(hào)位Addasignbit最高位為符號(hào)位，0：正，1：負(fù)，數(shù)值位不變

符號(hào)位的權(quán)值是多少？[X]原=X0≤X<2n2n－X-2n<X≤0[X]原=X0≤X<11-X-1

<X≤0符號(hào)位權(quán)值是2n符號(hào)位權(quán)值是1原碼表示示例[+0]原=0.000…0[-0]原=1.000…0兩個(gè)機(jī)器零[-0.1111]原=1.1111[+0.1111]原=0.1111[+111011]原=0111011[-111011]原=1111011原碼表示區(qū)間定點(diǎn)小數(shù)x0.x1x2…xn

?0.111…1~+0.111…1[?(1?2-n),1?2-n]或(?1,1)定點(diǎn)整數(shù)x0x1x2…xn

?0111…1~+0111…1

[?(2n?1),2n?1]或(?2n,2n)對(duì)稱區(qū)間原碼特性直觀易懂第一位為符號(hào)位、其他為數(shù)值位兩個(gè)機(jī)器零加、減運(yùn)算方式不統(tǒng)一符號(hào)相異加法不能直接運(yùn)算特別當(dāng)a<b時(shí)，實(shí)現(xiàn)a-b比較困難從50年代開始，整數(shù)都采用補(bǔ)碼來表示但浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)用原碼定點(diǎn)小數(shù)表示010110012=8910+110011012=-7710

001001102=3810反碼表示法

One’sComplement所謂反碼，就是二進(jìn)制的各位數(shù)碼取反符號(hào)位與原碼相同Example:710=001112

?710=110002[+0]反=0.000…0[?0]反=1.111…1兩個(gè)機(jī)器零[0.1111]反=0.1111[?0.1111]反=1.0000[111011]反=01110[?111011]反=1000100反碼表示法…[X]反=X0≤X<2n2n+1－1+X-2n<X≤0[X]反=X0≤X<12-2－n+X-1

<X≤0反碼公式證明定點(diǎn)小數(shù)-1<x<=0時(shí)假設(shè)x=-0.x1x2…xn假[x]反=1.x1x2…xn[x]反+|x|=1.11…1=1.11…1+0.00…1-0.00…1=10.00…0-0.00…1=2-2-n[x]反=2-2-n-|x|=2-2-n+x定點(diǎn)整數(shù)證明方法相同反碼表示區(qū)間定點(diǎn)小數(shù)x0.x1x2…xn?0.111…1~+0.111…1

[?(1-2-n),1-2-n]或(-1,1)定點(diǎn)整數(shù)x0x1x2…xn?0111…1~+0111…1[?(2n?1),2n?1]或(?2n,2n)對(duì)稱區(qū)間反碼特性兩個(gè)機(jī)器零求反用邏輯門容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)算仍然很復(fù)雜相加時(shí)需要將符號(hào)位的進(jìn)位位增加到最低有效位上有趣的時(shí)鐘9與-3、21等效

123691236912369同余的概念假定有兩個(gè)數(shù)a和b，若用某一個(gè)整數(shù)m去除，所得的余數(shù)相同，就稱a,b兩個(gè)數(shù)對(duì)m同余,記作：a≡b

(modm)模為m假設(shè)X,Y,Z三個(gè)數(shù)，滿足下列關(guān)系：Z=nX+Y(n為整數(shù)),則稱Z和Y對(duì)模X是同余的，記作：

Z≡Y(modX)

Y≡Z(modX)

以12為模9≡12+9≡24+9≡36+99≡21≡33≡45≡-3≡12-3≡9例子7+(-3)=7+(12-3)=7+9=16=4表示負(fù)數(shù)的時(shí)候如利用模的性質(zhì)轉(zhuǎn)換成正數(shù)，即可將原碼運(yùn)算中的減法變成加法運(yùn)算補(bǔ)碼公式模：符號(hào)位進(jìn)位位的權(quán)值真值為正數(shù)，補(bǔ)碼等于原數(shù)據(jù)真值為負(fù)數(shù)，增加一個(gè)模[X]補(bǔ)=X0≤X<2n2n+1+X-2n≤X<0[X]補(bǔ)=X0≤X<12+X-1≤X<0模是2n+1模是2補(bǔ)碼與反碼的關(guān)系定點(diǎn)小數(shù)[x]反=2-2-n+x[x]補(bǔ)=2+x=(2-2-n+x)+2-n=[x]反+2-n整數(shù)[x]反=2n+1-1+x[x]補(bǔ)=2n+1+x=(2n+1-1+x)+1=[x]反+1當(dāng)X為負(fù)數(shù)時(shí)，補(bǔ)碼等于反碼末位加1補(bǔ)碼編碼的簡便方法正值直接取其原來的二進(jìn)制碼，符號(hào)位為0負(fù)值則逐位取反，末位加1，符號(hào)位為1[-10101010]補(bǔ)=101010101+1=101010110[-0.010101]補(bǔ)=1.101011掃描法從最右側(cè)開掃描找到第一個(gè)1，該數(shù)位左側(cè)所有數(shù)據(jù)位取反，其他數(shù)據(jù)位不變例子X=-0.11111111[X]補(bǔ)

=???[X]補(bǔ)

=1.00000000+0.00000001=1.00000001X=-0.00000001[X]補(bǔ)

=1.11111111X=-000000001[X]補(bǔ)

=111111111X=-0.00000000[X]補(bǔ)

=