计算机组成与结构第一章

计算机组成与系统结构教师：卢维亮电话：[phone]邮箱：[e-mail]资源：正在编程控制面板封装的电子管展览于宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院一个巨大的计算机化的防空系统，SAGE（Semi-AutomaticGroundEnvironment半自动地面防空警备系统）旨在帮助空军实时跟踪雷达数据。装置了调制解调器和图形显示技术的进步配备，机器重达300吨，占据了一个大楼的一个楼层。SAGE,1954一种可互换计算机系列的一部分，IBM公司的System/360主机是第一个涵盖全范围应用，从小到大，从商业到科学的主机。用户不必作出令人头痛的软件升级就能够放大或缩小其设置。高端的的System/360机型曾在NASA的阿波罗登月计划以及空中交通控制系统起作用。IBMSystem/360,1964很长一段时间里它都是世界上最快的机器，控制数据公司的6600机器是由著名的计算机设计师西摩克雷设计的。CDC6600的速度王冠一直保持到1969年克雷的下一个超级计算机的设计。CDC6600，1964第一个成功的商业小型计算机。PDP-8，由DEC（数字设备公司）研发，在发布后售出50000台，是那时数目最多的一种计算机。DECPDP-8,1965在其发布的那段时间，Cray-1是世界上运行最快的计算机。尽管它的售价5~10亿美元——但它仍然畅销。Cray-1,1976Apple-I是一种早期的个人电脑，由斯蒂夫·沃兹尼亚克设计并手工打造。沃兹尼亚克的朋友史蒂夫·乔布斯则提出销售这台电脑的主意。AppleI是苹果公司的第一项产品，AppleI,1976AppleII,1976直至2008年，约有30~50台AppleI尚存，使其成为非常罕见的收藏品，而一般价位则在14,000至16,000美元之间。AppleI于1999年曾被卖到50,000美元，2010年在英国以21.36万美元高价拍卖。它采用了独立的键盘、打印机、显示器、简单易于操作并有完整的前瞻性包，这些使IBM个人电脑走出爱好者的车库通向企业和消费市场主流。其巨大的商业成功，使它多年来一直是个人电脑系统的标志，并致使其他厂家生产类似的台式机。IBM个人电脑,1981在80年代后期开始于IBM，深蓝色的项目是一个运用多重处理解决一个难题的尝试-即，击败了世界上最好的棋手，加里•卡斯帕罗夫。经过了六场比赛，卡斯帕罗夫最终输了，困惑的他认为一定有一步棋是出自上帝之手。深蓝,1997以移动通讯为代表的手持设备，为新一代的应用开阔了巨大的移动互联网应用领域。iPhone,2007iPad,2010微处理器生产巨头Intel日前发布了史上最强x86服务器处理器XeonE7-x800v2系列，配备多达15个核心Tianhe-2,asupercomputerdevelopedbyChina’sNationalUniversityofDefenseTechnology,istheworld’snewNo.1systemwithaperformanceof33.86petaflopsontheLinpackbenchmark,accordingtothe41steditionofthetwice-yearlyTOP500listoftheworld’smostpowerfulsupercomputers.ThelistwasannouncedJune17duringtheopeningsessionofthe2013InternationalSupercomputingConferenceinLeipzig,Germany.Tianhe-2,orMilkyWay-2,willbedeployedattheNationalSupercomputerCenterinGuangzhou,China,bytheendoftheyear.ThesurpriseappearanceofTianhe-2,twoyearsaheadoftheexpecteddeployment,marksChina’sfirstreturntotheNo.1positionsinceNovember2010,whenTianhe-1Awasthetopsystem.Tianhe-2has16,000nodes,eachwithtwoIntelXeonIvyBridgeprocessorsandthreeXeonPhiprocessorsforacombinedtotalof3,120,000computingcores.序号国家位置名称所属公司核心数Rmax(TFlop/s)Rpeak(TFlop/s)Power(kW)1中国国家超级计算机中心天河2号中国国防科技大学3,120,00033,862.7054,902.4017,8082美国橡树岭国家实验室泰坦克雷公司560,64017,590.0027,112.508,2093美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室红杉IBM公司1,572,86417,173.2020,132.707,8904日本RIKEN高级计算科学研究院K计算机富士通705,02410,510.0011,280.4012,6605美国阿贡国家实验室MiraIBM公司786,4328,586.6010,066.303,9456瑞士瑞士国家超级计算中心PizDaint克雷公司115,9846,271.007,788.902,3257美国德克萨斯高级计算中心Stampede戴尔公司462,4625,168.108,520.104,5108德国德国尤利希研究中心JUQUEENIBM公司458,7525,008.905,872.002,3019美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室VulcanIBM公司393,2164,293.305,033.201,97210美国政府部门CrayXC30克雷公司225,9843,143.504,881.30无数据2014年11月全球500强超级计算机排名TOP10目录•学习本课程的一些相关问题•计算机系统的基本组成及其层次结构•计算机硬件的５个功能部件及其功能•冯·诺依曼计算机•计算机系统主要的技术与性能指标•教学环节与成绩评定本课程的一些相关问题学了哪些程序设计语言？学了哪些硬件相关课程？为何要学习这门课程？怎么学？课程主要内容简介课程类别：专业课课程性质：必修考研占45分软件水平考试必考其他课程的基础计算机的5个功能部件及其连接关系运算器：暂存运送数据、中间结果，完成数据运算并暂存控制器：指挥、控制计算机各部件协同运行以便执行程序主存储器：存储正在使用的程序和数据输入设备：输入程序和数据输出设备：输出计算结果接口线路：经总线连接CPU和设备，解决二者识别配合总线：连接5个功能部件，以便以分时方式传接送信息运算器部件控制器部件接口输入设备接口输出设备主存储器数据总线地址总线控制总线存储器系统存储介质的分类与存储原理，存储器芯片的内部构成存储器的性能指标：速度、容量、成本解决问题的途径：构建３级结构的存储器系统程序运行的局部性原理，一致性原则和包含性原则主存储器：保存CPU正在运行、使用中的程序和数据，通常情况下以字为单位与CPU交换信息，以字块为单位与高速缓存交换信息。主存与CPU的连接，读写操作过程和访存指令字位扩展技术，一体多字、多体单字技术高速缓冲存储器：缓冲最近使用的主存中的程序和数据，由硬件直接控制以字块为单位完成交换。３种地址映射方式与地址变换高速缓存的命中率与加速比，Cache的替换算法辅助(外)存储器：以文件形式比较长时间的保存计算机系统中的信息，通常以几个扇区为单位执行读写。磁盘的平均寻址时间、磁盘读写的数据传输率计算温盘与光盘的基本组成与读写原理，磁盘阵列技术虚拟存储器：是高速磁盘上的一片存储空间，暂存目前主存中存放不下的的程序和数据，依据系统运行情况随时与主存交换信息，可能以页或段为单位进行交换，也可以兼用二者。段表和页表的组成（内容）和地址变换过程，快表的作用。内存中的换页算法。输入设备输入设备的功能和分类，最常用的输入设备键盘的组成与运行原理，鼠标设备的功能和工作原理输出设备以点阵方式显示或打印字符、图形或图像设备的共性原理输出设备的功能和分类，最常用的输出设备CRT和液晶显示器的一般构成和运行原理针式、喷墨式和激光打印机的一般构成和运行原理接口接口的功能，经过总线连接外设与CPU希望把多种设备和不同的CPU都能连接起来(个性化处理)通用可编程接口的一般组成与初始化操作，中断有关线路接口标准：串行接口，并行接口，USB接口，...输入输出方式程序查询方式，程序中断方式，直接存储器访问方式通道方式，外围处理机方式中断源的分类，中断优先级与中断排队，中断屏蔽中断请求、响应和处理（保存与恢复中断现场）过程DMA接口卡的构成，DMA传送的请求，响应与执行过程数据表示、运算数据类型(整型、浮点型、逻辑型、BCD码、字符型)的表示，中文的输入码、内码、字形码进位计数制，二进制与十进制数据之间的转换，二进制数据运算规则整数、小数的原、反、补码的编码与表示，机器数和数的真值补码加、减法运算规则与实现算法，原码一位乘、除法的规则与实现算法３种常用的检错纠错码的实现原理与应用场所运算器部件算术与逻辑运算部件ALU的原理性线路设计，串行进位与并行进位的概念与实现思路定点运算器的功能与组成（执行运算的部件ALU、暂存数据的寄存器组REGs、特征位寄存器）补码加减法的线路实现与溢出判别方案、原码一位乘除法的实现原理性线路浮点数的表示、编码，它的数据范围和精度，IEEE-754标准，浮点数的加、减、乘除运算规则控制器部件控制器的功能与组成（PC、IR、步骤标记与转换线路、产生与提供控制信号的部件）两种控制器类型：组合逻辑控制器和微程序控制器，同异之处与应用场合指令的执行过程（步骤），CPU周期，指令周期，指令的串行或并行执行指令的串行执行过程：单指令周期方案方案，多单指令周期典型指令的执行过程（步骤），与指令格式和功能、计算机的实际组成有关通用原理需用一个简单实际系统来加深理解，CPU的性能计算：主频、CPI、MIPSRISC和CISC两种计算机追求的基本目标和实现途径（RISC机的特点）指令的并行执行：指令流水线技术，追求的主要目标，实现思路，表示方法性能指标：吞吐率，加速比，效率流水线中的结构相关、数据相关、控制相关的产生原因与解决思路计算机组成原理课程教学内容的知识结构图总线总线的功能和基本结构，对总线线路的基本要求总线类型（数据、地址、控制３类总线）及各自的作用总线的竞争使用：总线仲裁、定时和总线使用总线周期，总线状态，总线传送方式（正常或成组传送）总线标准，常用的几种总线概况总线的性能指标：总线的带宽指令、指令系统和汇编语言程序设计读写外设，外设编址方式：与主存统一编址，IO端口地址读写内存，寻址方式，CPU与主存交换数据或指令数据传送，数据运算，数据地址计算，指令地址计算使用硬件的命令，指令系统—机器语言，写程序很难机器语言符号化并扩展得到汇编语言，写程序容易些针对解题算法而不是硬件本身提供高级语言，最好用指令格式：操作码与数据地址字段寻址方式形式地址与实际(物理)地址的概念及其相互关系基本寻址方式：　寄存器寻址，　　寄存器间接寻址　直接寻址，变址寻址，相对寻址，基地址寻址　　堆栈寻址，间接寻址，立即数寻址用几种基本寻址方式复合而成的更复杂的寻址方式计算机系统概述计算机系统由硬件和软件两大部分组成。硬件指由中央处理器、存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算、处理功能的命令。软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。指令是用于设计程序的一种计算机语言。计算机系统的层次结构汇编语言