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1、计算机组成原理第一单元第一讲学习目的和方法计算机发展简史计算机组成原理 学分：4 学时：64+32 先修课程： 数字逻辑、高级语言程序设计 后续课程： 操作系统、系统结构、编译原理、计算机网络2学习目的 了解计算机的组成 五大组成部件 掌握计算机的运行原理 计算机为什么能执行高级语言程序 了解现代计算机中的一些核心技术 流水、Cache、并行 培养设计计算机的技能 提高编程能力 成为计算机科学家、计算机专家3主要教学内容 计算机的层次结构 运算器的功能、组成和基本运行原理 控制器的功能、组成和运行原理 存储器及层次存储器系统 输入/输出设备和总线4学习目标 掌握单CPU计算机的完整硬件组成 基
2、本运行原理 内部运行机制 了解计算机系统的最新发展 达到能独立设计一台完整计算机的水平 知识和能力两方面都提高5教学环节和学习方法 课堂讲授 阅读参考资料 思考 习题 完成实验及报告 讨论和总结 考试博学审问慎思明辨笃行6考评办法 习题和作业 作业缺交2次（含），作业成绩为0 发现抄袭现象，作业成绩为0。 若作业成绩为0，则考试无效。 作业要求上交手写版，不接受电子版和打印版 实验和报告 实验报告可按照要求，提交电子版 考试 总成绩评定 If 考试成绩=全年级考试成绩的平均值/2 Then 总评成绩=考试成绩*40%+Project成绩*50%+作业成绩*10% Else 总评成绩=考试成绩7
3、Project评分标准 自由组合、原则上按组给成绩 达到基本要求，成绩为80分 独立实现全部规定指令及指定的扩展指令（微程序和组合逻辑两种控制器） 独立完成实验报告 鼓励在任何方面，尤其是硬件方面的扩展（最多20分） 中断、I/O等 监控程序修改、完善 任何其他有特色的创新 课堂交流8教材和参考书教材 计算机组成与设计 王诚著 清华大学出版社 计算机组成与设计实验指导(第2版) 王诚著 清华大学出版社参考书目 计算机组成与结构刘卫东 编 机械工业出版社 计算机组成结构化方法 刘卫东 宋佳兴 徐恪译 人民邮电出版社 Computer Organization & Design The hardw
4、are/software interface 机械工业出版社 Computer organization and architecture Designing for performance 清华大学出版社其他阅读材料9计算机里有什么？10计算机基本组成 构成计算机的基础理论大部分已经有50年了。 目前，计算机的关键部件也没有大的改变 CPU Data Path Controller Memory I/O11现代计算机 功能部件 CPU Data Path Controller Memory I/O12Intel Pentium计算机运行机制 Datapath: 完成算术和逻辑运算，通常包括其
5、中的寄存器。 Control: CPU的组成部分，它根据程序指令来指挥datapath， memory以及I/O运行，共同完成程序功能。 Memory: 存放运行时程序及其所需要的数据的场所。 Input: 信息进入计算机的设备，如键盘、鼠标等。 Output: 将计算结构展示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机、喇叭等。13ComputerMemoryInputOutputDatapathControlVon Neumann计算机14ProcessorVon Neumann Machine15DatapathMemoryI/OBus-Based Computer16Anatomy of a
6、Modern PC17Multiprocessors18IBM ASCI White: 8K processors, 13 Tflops19计算机剖析计算机系统计算机结构计算机处理器逻辑设计电路（VLSI）设计设备制造20计算机剖析（续）计算机系统计算机结构计算机处理器高级语言汇编语言机器语言计算机组成原理2122Levels of RepresentationHigh Level Language Program (e.g., C)Assembly Language Program (e.g.,MIPS)Machine Language Program (MIPS)Control Signa
7、l SpecificationCompilerAssemblerMachine Interpretationtemp = vk;vk = vk+1;vk+1 = temp;lw$to,0($2)lw$t1,4($2)sw$t1,0($2)sw$t0,4($2)0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 10001010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111 计算机组成计算机组成A
8、 Six-Level Computer2324Multilevel MachineEvolution of Multilevel MachinesBare hardwareMicroprogrammingOperating systemCompilersHardware / software interfaceSimple ISACISCRISC25Computer Generations Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s) Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959) Gen-2: Transistors (196
9、0-1968) John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977) Jack Kilby (1958) Gen-4: VLSI (1978-present) Gen-5: Optical? Quantum? 生物？ 26古代及近代计算技术27公元前500年，中国出现算盘1642年，Blaise Pascal发明自动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果1822年，Charles Babbage，微分机（Differential Engie）1833年，分析机（
10、Analytical Engine），通用机器16世纪，Alkhowarizmi提出算法概念，并出版以算法（Algorithm）为题的书籍Ada Augusta Lovelace，第一位程序员图灵机281937年，Alan Turing提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机的新时代。50年代，Turing提出了“智能”计算机的概念。Turing测试图灵机（Turing Machine)29确定型图灵机 * 有穷符号集 P* 有穷状态集 Q* 转移函数
11、F：Q 。P Q 。P 。 -1， +1 通用机(Universal Machine)概念有限状态 控制器P读写头带-4 -3 -2 -1 0 +1QTuring机特点 通用计算机：并不是保存所有问题的结果。 存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。 有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。 有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放空间也是有限的。 是现代计算机的鼻祖。30Vannevar Bush:Memex 保存有10亿本图书的书柜 可按照人们的需要，对图书进行照相 甚至可以记录人们的声音 保存并共享人类历史上的知识 Web之父31现代计算机的里程碑32年年
12、代代机机器器名名称称制制造造者者说说明明1834Analytical EngineBabbage建造数字计算机的第一次尝试1936Z1Zuse第一台使用继电器的计算机器1943COLOSSUS英国政府第一台电子计算机1944Mark IAiken第一台美国通用计算机1946ENIAC IEckert/Mauchley现代计算机历史从它开始1949EDSACWilkes第一台存储程序的计算机1951Whirlwind IM.I.T.第一台实时计算机1952IASVon Neumann大多数现代计算机还用的设计1960PDP-1DEC第一台小型机（销售 50 台）19611401IBM非常流行的小
13、型商用机19627094IBM60 年代早期的主流科学计算用机1963B5000Burroughs面向高级语言设计的第一台计算机1964360IBM系列机的第一个产品19646600CDC第一台用于科学计算的超级计算机1965PDP-8DEC第一台占领市场的小型机（销售 50，000 台）1970PDP-11DEC70 年代的主导小型机19748080Intel第一台在一个芯片上的 8 位计算机1974CRAY-1Cray第一台向量超级计算机1978VAXDEC第一台 32 位超级小型计算机1981IBM PCIBM开创现代个人计算机新纪元1985MIPSMIPS第一台商用 RISC 机198
14、7SPARCSun第一台基于 SPARC 的 RISC 工作站1990RS6000IBM第一台超标量体系结构计算机第一台通用电子计算机ENIAC33Electronic Numerical and Integrate Calculator Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日第一台通用电子计算机，设计用于计算火炮的弹道重30吨，占地15000平方英尺，18000个电子管，耗电 140KW运算速度：5000次加法/秒使用十进制数20个寄存器，每个存放10位的十进制数通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程Von Neumann机IAS34现代计算机结构的鼻祖
15、：五大功能部件将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。采用二进制数据：简化了存储器只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置。第一台小型计算机：PDP-1 1957年由DEC公司生产 第二代计算机（晶体管） 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒 售价120000美元。售出50台。 开创了计算机产业！35第一个系列计算机：IBM 360 第三代计算机 计算机应用：科学计算和商务处理 如何在不同的硬件平台上运行相同的软件？ 系列计算机：IBM 360 计算机系统结构：程序员眼中的计算机。具有相同系统结构的计算机可以运行相同的程序。 微程序控制器36应用的普及
16、：IBM PC机37RISC计算机38精简指令系统计算机指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成提高计算机的运行速度下一代计算机 Babbage：更快、更高、更强 Turing：智能计算机 Bush：信息网格 ？39小结 学习方法 博学 审问 慎思 明辨 笃行 计算机组成原理 单台计算机完整的硬件系统的基本原理与内部运行机制 计算机的层次结构 理解计算机系统和结构的钥匙 计算机的发展历史 以史为鉴，可知兴替，可明得失。40课程信息 用FPGA实现带指令流水的教学计算机 5到6名同学，可顶替大实验 使用FPGA实现CPU，要求实现5级流水 兼容现在的TEC-2000 进行性能分析 各班课代表 在下周一之前，把联系方式用邮件发给我（姓名、班号、学号、电话、E_mail） 请和你们班的助教建立联系 留学生请选出一个课代表41
