1、計(jì)算機(jī)組成原理,第一單元第一講 學(xué)習(xí)目的和方法 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,2,計(jì)算機(jī)組成原理,學(xué)分：4 學(xué)時(shí)：64+32 先修課程： 數(shù)字邏輯、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì) 后續(xù)課程： 操作系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),3,學(xué)習(xí)目的,了解計(jì)算機(jī)的組成 五大組成部件 掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理 計(jì)算機(jī)為什么能執(zhí)行高級(jí)語言程序 了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的一些核心技術(shù) 流水、Cache、并行 培養(yǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的技能 提高編程能力 成為計(jì)算機(jī)科學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家,4,主要教學(xué)內(nèi)容,計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu) 運(yùn)算器的功能、組成和基本運(yùn)行原理 控制器的功能、組成和運(yùn)行原理 存儲(chǔ)器及層次存儲(chǔ)器系統(tǒng) 輸入/輸出設(shè)備和總線,5,學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握單CPU

2、計(jì)算機(jī)的完整硬件組成 基本運(yùn)行原理 內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新發(fā)展 達(dá)到能獨(dú)立設(shè)計(jì)一臺(tái)完整計(jì)算機(jī)的水平 知識(shí)和能力兩方面都提高,6,教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)習(xí)方法,課堂講授 閱讀參考資料 思考 習(xí)題 完成實(shí)驗(yàn)及報(bào)告 討論和總結(jié) 考試,博學(xué) 審問 慎思 明辨 篤行,7,考評(píng)辦法,習(xí)題和作業(yè) 作業(yè)缺交2次（含），作業(yè)成績(jī)?yōu)? 發(fā)現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，作業(yè)成績(jī)?yōu)?。 若作業(yè)成績(jī)?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(shí)驗(yàn)和報(bào)告 實(shí)驗(yàn)報(bào)告可按照要求，提交電子版 考試 總成績(jī)?cè)u(píng)定 If 考試成績(jī)=全年級(jí)考試成績(jī)的平均值/2 Then 總評(píng)成績(jī)=考試成績(jī)*40%+Project成績(jī)*50%+作業(yè)成

3、績(jī)*10% Else 總評(píng)成績(jī)=考試成績(jī),8,Project評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),自由組合、原則上按組給成績(jī) 達(dá)到基本要求，成績(jī)?yōu)?0分 獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全部規(guī)定指令及指定的擴(kuò)展指令（微程序和組合邏輯兩種控制器） 獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 鼓勵(lì)在任何方面，尤其是硬件方面的擴(kuò)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(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì) 王誠著 清華大學(xué)出版社 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)(第2版) 王誠著 清華大學(xué)出版社 參考書目 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)劉衛(wèi)東 編 機(jī)械工業(yè)出版社 計(jì)算機(jī)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 Computer Orga

4、nization 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 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111, ,計(jì)算機(jī)組成,23,A Six-Level Computer,24,Multilevel Machine,25,Ev

5、olution of Multilevel Machines,Bare hardware Microprogramming Operating system Compilers Hardware / software interface Simple ISA CISC RISC,26,Computer Generations,Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s) Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959) Gen-2: Transistors (1960-1968) John Bardeen, Walter Brat

6、tain, and William Shockley Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977) Jack Kilby (1958) Gen-4: VLSI (1978-present) Gen-5: Optical? Quantum? 生物？,27,古代及近代計(jì)算技術(shù),公元前500年，中國出現(xiàn)算盤,1642年，Blaise Pascal發(fā)明自動(dòng)進(jìn)位的加法機(jī)器，齒輪驅(qū)動(dòng)撥盤，在窗口顯示結(jié)果,1822年，Charles Babbage，微分機(jī)（Differential Engie）,1833年，分析機(jī)（Analytical Engine），通用機(jī)器,16世紀(jì)，A

7、lkhowarizmi 提出算法概念，并出版以算法（Algorithm）為題的書籍,Ada Augusta Lovelace，第一位程序員,28,圖靈機(jī),1937年，Alan Turing提出一種“通用”計(jì)算機(jī)的概念，它可以執(zhí)行任何一個(gè)描述好的程序（算法），實(shí)現(xiàn)需要的功能，形成了“可計(jì)算性”概念的基礎(chǔ)。 存儲(chǔ)程序的思想，使計(jì)算機(jī)從專用走向通用。正是這一創(chuàng)新，開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)的新時(shí)代。 50年代，Turing提出了“智能”計(jì)算機(jī)的概念。Turing測(cè)試,29,圖靈機(jī)（Turing Machine),確定型圖靈機(jī) * 有窮符號(hào)集 P * 有窮狀態(tài)集 Q * 轉(zhuǎn)移函數(shù) F：Q 。P Q 。P 。 -1，

8、 +1 通用機(jī)(Universal Machine)概念,有限狀態(tài) 控制器,P,讀寫頭,帶,-4 -3 -2 -1 0 +1,Q,30,Turing機(jī)特點(diǎn),通用計(jì)算機(jī)：并不是保存所有問題的結(jié)果。 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)：?jiǎn)栴}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(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間是有限的。 有限空間：計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的鼻祖。,31,Vannevar Bush:Memex,保存有10億本圖書的書柜 可按照人們的需要，對(duì)圖書進(jìn)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(shí) Web之父,32,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的里程碑,33,第一臺(tái)

9、通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC,Electronic Numerical and Integrate Calculator,Mauchly and Eckert 設(shè)計(jì) 1946年2月14日 第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)用于計(jì)算火炮的彈道 重30噸，占地15000平方英尺，18000個(gè)電子管，耗電 140KW,運(yùn)算速度：5000次加法/秒 使用十進(jìn)制數(shù) 20個(gè)寄存器，每個(gè)存放10位的十進(jìn)制數(shù) 通過設(shè)置6000個(gè)開關(guān)和其它眾多的插頭和插座來編程,34,Von Neumann機(jī)IAS,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(chǔ)器有4096個(gè)字，每個(gè)字40位。 采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)：簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)器

10、 只提供整數(shù)運(yùn)算：任何有能力的數(shù)學(xué)家都能在頭腦中記住小數(shù)點(diǎn)的位置。,35,第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)：PDP-1,1957年由DEC公司生產(chǎn) 第二代計(jì)算機(jī)（晶體管） 18位字長(zhǎng)，4K內(nèi)存，機(jī)器周期為5微秒 售價(jià)120000美元。售出50臺(tái)。 開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)！,36,第一個(gè)系列計(jì)算機(jī)：IBM 360,第三代計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用：科學(xué)計(jì)算和商務(wù)處理 如何在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行相同的軟件？ 系列計(jì)算機(jī)：IBM 360 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：程序員眼中的計(jì)算機(jī)。具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行相同的程序。 微程序控制器,37,應(yīng)用的普及：IBM PC機(jī),38,RISC計(jì)算機(jī),精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) 指令系統(tǒng)盡量簡(jiǎn)單，復(fù)雜指令通過簡(jiǎn)單指令的組合來完成 提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度,39,下一代計(jì)算機(jī),Babbage：更快、更高、更強(qiáng) Turing：智能計(jì)算機(jī) Bush：信息網(wǎng)格 ？,40,小結(jié),學(xué)習(xí)方法 博學(xué) 審問 慎思 明辨 篤行 計(jì)算機(jī)組成原理 單臺(tái)計(jì)算機(jī)完整的硬件系統(tǒng)的基本原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制 計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu) 理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的鑰匙 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 以史為鑒，可知興替，可明得失。,41,課程信息,用FPGA實(shí)現(xiàn)帶指令流水的教學(xué)計(jì)算機(jī) 5到6名同學(xué)，可頂