计算机内部组成 :how computers work 硬盘硬盘硬盘硬盘硬盘硬盘硬盘硬盘电源电源电源电源电源电源电源电源导线和电缆导线和电缆导线和电缆导线和电缆导线和电缆导线和电缆导线和电缆导线和电缆软驱软驱软驱软驱软驱软驱软驱软驱内存内存内存内存内存内存内存内存微处理器微处理器微处理器微处理器微处

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沛毕
7 years ago
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1 计算机组成原理第一章概论李曦

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3 计算机系统涉及的问题计算机科学永恒的问题 : 如何设计出更好的计算机, 如何利用好现有的计算机

4 MIT 09: Computation Structures is required material for any EECS undergraduate is essential for later courses in digital design, computer architecture and systems offers an introduction to the engineering of digital systems MOS transistors, logic gates, combinational and sequential circuits, finite-state machines Computers both hardware and software mechanisms each student completes a gate-level design for a reduced instruction set computer (RISC) processor during the semester.

5 UCB Related Courses Strong CS61C CS 152 Prerequisite MIPS 处理器的实现和并行技术, 以及层次化存储系统, I/O 几乎忽略 CS 258 Parallel Architectures, Languages, Systems CS 252 Basic computer organization, first look at pipelines + caches Computer Architecture, First look at parallel architectures Graduate Computer Architecture, Advanced Topics 从 C 语言程序的执行角度讨论计算机组成原理, 但重点关注 MIPS 处理器和存储系统, 其他关注很少 CS 150 Digital Logic Design CS 194?? New FPGA-based Architecture Lab Class 强调微处理器和存储系统, 忽视 I/O( 不知是否有其他课程 ); 另外, 强调 CE!

6 USTC 的有关课程数电电子系统设计 (VerilogHDL): 大 2 计算机组成原理 : 大 3 上对计算机系统的基本组成结构和工作机制有比较透彻的理解微型计算机原理 : 大 3 下突出应用, 详细讲述微处理器编程结构汇编语言接口技术和应用编程方法计算机体系结构 : 大 4 论述计算机系统的设计优化技术和性能定量分析方法本课程的目的深入理解计算机系统计算机系统的硬件硬件组成和工作原理系统构成总线存储器 I/O 系统等深入理解处理器处理器的内部结构和工作原理深入理解各个功能部件的系统级设计过程

7 USTC 的相关课程特点主干 : 组成原理微机原理和体系结构三门课组成原理 : 完整讲解总线存储器 ( 系统 ) I/O 运算器控制器几大部件的工作原理, 以及处理器的实现 ( 包括高教社教科书中的 A 模型和补充的 MIPS 模型的基本内容 ) 一般不涉及具体机型微机原理 : 以 x86 系统为例, 讨论计算机应用系统的工作原理和实现 ; 体系结构 : 讨论系统的量化分析和优化强调完整的计算机系统的工作原理和分析, 注重系统功能部件的设计方法课程体系教学内容划分比较清晰合理如虚存的讨论, 主要放在体系结构 ( 性能分析 ) 操作系统 ( 页表定义和 MMU 管理 ) 和微机原理 ( 相关寄存器组织和使用 ) 中, 组成原理中基本不涉及

8 教指委核心课程教学实施方案科学型工程型应用型科大概述数值的机器表示数值的机器运算 * 存储系统 * 指令系统与 CPU* 18(6+12) 18(6+12) 20 28( ) I/O 总线总学时三种类型的区别主要在 * 号部分

9 本课程的作用该课程为今后学习操作系统编译原理计算机体系结构计算机网络计算机容错技术并行计算分布式系统等课程打好基础相关课程数据结构算法设计组成原理重点单处理器计算机系统组成强调软硬件接口操作系统编译原理体系结构

10 课程内容课堂教学外围部件结构系统总线 ( 总线性能总线结构总线控制 ) 存储器 ( 主存储器高速缓存辅助存储器 ) 输入输出系统 (I/O 接口 I/O 控制方式外设 ) 中央处理器 (CPU) 计算机的运算方法指令系统 CPU 的结构控制单元设计课程实验实现 LC3

11 教材 Textbook: 唐朔飞, 计算机组成原理高等教育出版社,2000 Reference: Patterson and Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 2nd Edition, cs

12 教材选用说明以唐本为主从教学内容看唐本仅介绍了流水线处理器的概念, 没有讨论其实现, 因此以 Patterson 本第三章为补充强调系统的完整性从学生考研 Patterson: 1. 计算机概念和技术概述 2. 计算机指令 (70 页 ) 指令编译器面向对象语言 3. 计算机的算术运算 (50 页 ) 4. 评估和理解性能 (30 页 ) 5. 处理器 (100 页 ) 重点 6. 利用流水线提高性能 (70 页 ) 重点 7. 层次结构的存储器 (60 页 ) Cache 和虚存 8. 存储器网络和其他外围设备 (30 页 ) 磁盘 I/O 接口内容少 9. 多处理器和集群 (30 页 )

13 推荐参考书计算机系统概论 ( 英文版第 2 版 ) ( 美 )Yale N.Patt,Sanjay J.Patel 包括两方面的内容 : 计算机底层结构, 高级语言编程, 编程方法学一个简单的计算机 (LC-3), 以及 LC-3 的机器和汇编语言 C 高级语言递归等, 最后是基本数据结构深入理解计算机系统 ( 原书第 2 版 ) ( 美 )Randal E. Bryant; David R. O'Hallaron 结合计算机软件和硬件理论, 内容覆盖计算机导论体系结构和处理器设计等多门课程本书的最大优点是为程序员描述计算机系统的实现细节

14 课程实验设计实现计算机系统概论的 LC-3 模型机共 16 条指令, 指令集具有 RISC 特征 Verilog HDL 设计描述逻辑仿真 FPGA 平台验证计划 5-7 周讲课部分针对性内容在这里讲课外作业为部件实验 ( 含指令寄存器的程序计数器时序运算器存贮器 ) 8-15 周设计 LC-3

15 成绩考核课堂教学 :70% 期末考试 :55%( 闭卷 ) 作业 :30%, 不能抄袭不能补交! 课堂练习 :5% 课外实践 :10% 编程实践 : 仿真调查报告 :(2~3 篇 ) 理解与综合能力, 不能抄袭, 要有参考文献资料来源 : 参考书 Internet 课程实验 :30% 教师主讲 : 李曦 (llxx@ustc.edu.cn) 助教 : 周金红等

16 本章教学内容计算机系统概述计算机软硬件计算机系统的层次结构计算机组成 VS. 计算机体系结构计算机的基本组成 Von Neumann 机的特征计算机的硬件构成计算机的工作过程计算机硬件的性能指标

17 信息论,1948 诺伯特维纳 (Norbert Wiener) 控制论 : 信息就是信息, 既不是物质, 也不是能量如何对信息量进行度量? 一本五十万字书有多少信息量? 香农 (Shannon), 通信的数学理论,1948 信息的最小单位是比特 ( 二值符号 ) 任何复杂信息都可以根据其结构和内容按照一定的编码规则进行分割, 最终成为一组二值数据任何信息都存在冗余, 冗余大小与信息中每个符号 ( 数字字母或单词 ) 的出现概率有关信息熵 : 信息中排除了冗余后的平均信息量单位 : 比特熵大 = 复杂

18 能行计算理论计算 : 是一种过程算法 : 对计算过程的步骤或状态的一种刻画, 是计算方法的一种实现方式可计算性 : 判断一类数学问题是否机械可解计算模型 : 刻画计算这一概念的抽象的形式化系统或数学系统具有状态转换特征, 能够对所处理的对象的数据或信息进行表示加工变换输出的数学机器递归函数 λ 演算图灵机等

19 关于计算模型的两个重要原理相似性原理计算复杂性是否与计算模型有关? 不同计算模型解决同一类问题所需资源是否相同? 相似性原理 : 所有计算模型的计算能力等同所有合理的功能足够强大的计算模型可以相互模拟计算, 且使用的本质相同的并行计算时间串行计算时间和空间丘奇 - 图灵论题 : 可计算性等价于图灵机可计算性对偶性原理在并行计算模型上, 计算的时间与空间可以互换

20 计算模型图灵机 (1936) 电子计算机的设计思想结构一条两端可以无限延伸的纸带 ( 其上有无穷多可擦写的小格 ); 一个读写头 ( 符号包括 0 1 b); 一个控制器 ( 执行控制读写头工作的命令 ) 五元组 :( 状态读符号 ) ( 写符号移动状态 ) 状态集 : 含一个开始状态, 一个结束状态控制命令 : 控制器当进入结束状态时, 图灵机停机, 纸带上的内容为输出结果 q 1 01Rq 1 q 1 10Rq 1 q 1 bbrq 2 q 2 bblq 3 q 2 00Hq 1 q 2 11Hq 1

21 Von Neumann 机组成结构 (1946) 存储程序式计算机 : 存储与计算分离主要特征由五大部件构成运算器控制器存储器输入设备输出设备指令和数据存储方式以同等地位存放于存储器内, 分别按地址访问指令和数据表示形式均用二进制码表示指令构成由操作码和地址码构成指令执行按顺序存放, 顺序执行数据传输机器以运算器为中心

22 Von Neumann 机的组织结构存储器输入设备运算器输出设备控制器实线 : 数据流虚线 : 控制流串行存储与计算分离

23 现代计算机的组织结构运算器输入设备存储器输出设备控制器

24 Harvard architecture data memory program memory address data address data CPU PC IR

25 细化的计算机系统组织控制信号 MAR X ALU CU PC 存储体 I/O MQ IR +1 MDR ACC 运算器控制器主存

26 CPU 功能算术逻辑运算指令译码执行数据暂存与 MEM I/O 交换数据提供整个系统所需的定时和控制响应中断请求主机主存 CPU ALU 外设控制单元

27 示例指令指令格式指令字长 16 位 : 操作码 6 位, 地址码 10 位例 : 指令操作码 load(000001):[m]->acc store(000010):acc->m add(000011):acc+[m]->acc mul(000100):acc*[m]->acc print(000101): 打印 [M] hlt(000110): 停机

28 指令的执行过程取指根据 PC 访存读取当前要执行的指令 PC+1 译码识别指令字中的操作类型, 产生相应的控制信号取操作数根据指令字的地址域访存执行写回

29 计算机的工作过程执行每一条指令, 都包括取指译码和执行三个基本步骤, 所以, 计算机的工作过程, 也就是不断地取指令译码和执行的过程, 直到遇到停机指令取指令, PC 值加 1 译码停机? 执行 N Y 结束

30 存储器的组织存储单元按字节或字寻址程序和数据顺序存放数据段代码段读写操作以数据总线宽度数据总线宽度为单位 CPU 地址数据读写控制 1KB 存储器地址存储内容低端高端

31 示例操作过程寄存器使用规则 ACC: 操作数之一和结果 MQ: 操作数之一和结果 X: 操作数之一加法 [M]->X; ACC+[X]->ACC 减法 [M]->X; ACC-[X]->ACC 乘法 [M]->MQ; ACC->X; 0->ACC; [X]*MQ->ACC//MQ 除法 [M]->X; ACC/[X]->MQ; 余数在 ACC 中

32 示例 ax 2 +bx+c (ax+b)x+c x->acc x*a->acc ax+b->acc x*(ax+b)->acc (ax+b)x+c->acc 地址 op opr (ld) (mul) (add) (mul) x 1001 a 1010 b 1011 c 1100

33 程序的执行过程接口? 定时?

34 计算机的解题过程用户采用程序设计语言描述问题的求解过程, 计算机在程序的控制下完成问题的求解计算机只能识别用 0/1 代码表示的程序用户需要使用高级语言编程问题高级语言源程序机器语言目标代码实际机器执行结果

35 程序设计语言机器语言由 0/1 代码表示机器能完成的各种操作 ( 指令 ) 例 : MCS-51 两个寄存器相加的机器语言指令两个寄存器相加的机器语言指令 : 依赖于机器 ( 处理器指令集 ), 难于理解汇编语言用便于书写和记忆的符号表示机器的各种操作 ADD SUB MUL DIV JMP CMP 等例 :MCS-51 两个寄存器相加汇编语言指令 :ADD A,R0 依赖于机器高级语言程序描述方式适合人类的习惯与平台无关性

36 高级语言的执行方式需要将高级语言程序转换成机器语言程序, 才能在实际机器上执行编译执行 : 利用编译器一次性将高级语言程序翻译成机器语言程序 C FORTRAN 解释执行 : 语句翻译一条, 执行一条, 直至结束 BASIC JavaScript

37 计算机系统组成硬件系统

38 各种外设接口, 包括 : 键盘鼠标显示器 USB 声卡网卡并行口等 CPU 风扇支架 PCI 扩展槽 IDE 内存 CPU 硬条插盘接插槽槽口华硕P4S53 P4S53 33-MX 主板槽板

39 系统 (System) 系统论的定义由若干相互关联的要素以一定结构形式连接, 具有明确的边界, 共同完成某种功能的有机整体从可靠性角度由一组零件 ( 元件 ) 部件子系统或装配件 ( 统称为单元 ) 构成的完成期望的功能并具有可接受的性能和可靠性水平的一种特定设计 llxx@ustc.edu.cn 39/120

40 关键系统三要素 : 组成数据流控制流软硬件接口过程步骤控制定时分析方法层次化结构化从框架结构到具体实现细节逐步求精的分析设计方法虚拟机系统的一种抽象视图

41 计算机系统的层次结构指令系统层确定使用哪些指令, 指令的格式数据类型和算法, 及访存输入输出等指令的处理微体系结构层描述指令的执行过程及为了实现指令的运行需要设置哪些部件数字逻辑层描述使用何种数字电路来实现信息的存储传送和运算与加工等

42 计算机系统的虚拟机

43 计算机组成 VS. 计算机体系结构 Software Hardware Application (Netscape) Compiler Assembler Memory Processor Digital Design Circuit Design Operating System (Windows 2K) Datapath & Control Layout I/O system Instruction Set Architecture(ISA)

44 计算机组成 vs. 计算机体系结构计算机体系结构 (Computer architecture) 程序员可见的机器属性 (C. M. Amdahl,1964) 特指机器语言程序员属性 : 包含结构特征和功能特征如数据表示寻址规则寄存器定义指令集存储系统 I/O 结构等计算机组成 (Computer organization & implementation ) 计算机体系结构的逻辑实现包括实际机器的数据流和控制流的组成和逻辑设计等着眼于物理机器内部各事件的排序方式与控制方式, 各部件的功能, 以及各部件的联系

45 计算机组成 vs. 计算机体系结构例一 : 对于 IBM PC 与 RS6000 两种机器高级语言程序员 : 可以看成是同一属性的机器汇编语言程序员 : 是截然不同的两种机器因为其指令集数据类型数据类型寻址技术等都完全不同寻址技术等都完全不同因此, 这两种机器的体系结构是各不相同的例二 : 一台机器是否具备乘法指令是否具备乘法指令的功能, 这是一个计算机体系结构体系结构的问题的问题但是, 实现这个乘法指令采用什么方式来实现, 比如, 用专门的乘法电路或连续相加的加法电路来实现, 这属于计算机组成组成的问题的问题

46 计算机体系结构分类按指令集特征复杂指令集 (CISC) 精简指令集 (RISC) 超标量 (Superscalar) 超流水线 (Superpipeline) 超长指令字 (VLIW) 按并行执行特征单指令流单数据流 (SISD): Von Neumann 机单指令流多数据流 (SIMD): 阵列处理机多指令流单数据流 (MISD): 多线程? 多指令流多数据流 (MIMD): 分布式系统

47 兼容性 ( 体系结构 ) 机器档次向上兼容向下兼容向下兼容向前兼容向前兼容和向后兼容向后兼容高向上兼容当前机器低向下兼容向前兼容向后兼容时间

48 计算机硬件硬件的性能指标机器字长 3 0 半字节 CPU 一次能处理数据的位数字节寄存器 ALU 总线存储器等 F 字字长越长, 数的表示范围越大, 精度越高 1F F 87 0 双字存储容量 4 位 8 位 16 位 32 位 64 位存储器可存储的二进制数据总数低端容量 = 存储单元个数存储字长 MAR=16 位, 则有 64K 个存储单元 ; MDR=32 位, 则共可存储 64K 32 =2Mb 高端

49 计算机硬件硬件的性能指标运算速度依赖于机器的主频操作类型存储器访问时间等主频 : 时钟频率 (Hz), 微处理器的运行速度 2001 年 Intel 推出 P4, 主频是 I486 的 15 倍, 性能才提高 5 倍 MIPS: 每秒能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同, 所以 MIPS 通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值 FLOPS: 每秒钟浮点运算次数可靠性平均无故障运行时间 MTBF(Mean Time Between Failures), 平均无故障间隔时间性能 / 价格比

50 例 1: 一微处理器, 主频为 20MHz, 请计算其主振时钟周期若一个机器周期由 2 个时钟周期组成, 平均每条指令用 3 个机器周期的时间, 请计算该处理器的平均运行速度 [ 解 ] 时钟周期平均速度 = = = = 1 时钟频率 = S 1 指令执行时间 MHz ( S ) = 3.33 MIPS

51 示例 Intel 微处理器性能

52 浴盆曲线

53 可用率度量系统的可用性 A=MTBF/(MTBF+MTTR) 例 : 通常可用性要求为个人计算机要求 2~3h/day, 约合 900h/a 商用计算机要求 6~8h/d, 约合 1800h/a 企业级服务器或工控系统, 要求 24h/d, 即 % llxx@ustc.edu.cn 53/120

54 可用性 :Availability in practice Carrier airlines (2002 FAA fact book) 41 accidents, 6.7M departures % availability 911 Phone service (1993 NRIC report) 29 minutes per line per year % Standard phone service (various sources) 53+ minutes per line per year % End-to-end Internet Availability 95% -99.6%

55 系统性能评价对象硬件系统价格服务服务应用软件应用软件质量质量功能功能升级能力升级能力性能性能功耗桌面系统性能评价 CPU 主频内存大小内存大小内存总线带宽内存总线带宽 I/O 总线性能图形处理工作站服务器网络系统操作系统应用系统事务处理 Web

56 性能定点性能浮点性能图形图像处理性能 Web 服务性能数据处理性能科学与工程计算性能系统软件性能

57 指标执行时间 (CPU 时间 Elapsed Time) 峰值速度 (Peak Performance) 负载 (load) 开销 (Overhead) 利用率 (Utilization Ratio) 饱和性能 (Saturate Performance) 带宽 (Bandwidth) 延迟 (Latency) 吞吐率 (Throughput) 加速比 (Speedup) 效率 (Efficiency)

58 性能评测的常用方法时钟频率体系结构不同, 难于比较指令执行速度 (MIPS ) 比较加法指令的运算速度等效指令速度 ( 吉普森 (Gibson) 混合法 ) 以程序中各种指令的比例为权重, 加权平均数据处理速率 PDR(processing data rate) 法每条指令平均位数每个操作数的平均位数每条指令平均运算速度基准程序法 (benchmark) 考虑 CPU I/O 结构操作系统编译器效率等评价计算机的实际工作能力

59 PowerPC G5: 世界上最快的处理器苹果公司 (2003 年 ) 根据 SPEC@ CPU 2000 基准测试结果比较对象配备 3 GHz Pentium 4 处理器的 Dell Dimension 8300 配备 3.06 GHz 双 Xeon 处理器的 Dell Precision 650

60 基准测试套 (Benchmark) Dhrystone 整数测试程序一个综合性的基准测试程序适于比较同一家族的机器 Linpack 测试向量性能和高速缓存性能 Whetstone 一个综合性测试程序测试浮点操作整数计算和功能调用等性能 SPEC System Performance Evaluation Cooperative TPC(Transaction Processing Council) 计算机 ( 服务器 ) 事务处理性能

61 测试执行程序 SPEC2000 系列 Lmbench SGI 开发, 测试操作系统性能空系统调用时间, 进程切换时间,pipe UDP TCP RPC 的延迟和带宽, 内存 Cache TLB 的读写性能, 存储映射的性能 Webstone SGI 在 1995 年开发, 评测系统在不同环境不同负载模式下的 Web 服务性能系统吞吐量 (MB/s) 延迟 ( 完成一个页面请求的时间 ) 每分钟传送的页面数平均连接率失效率 Netperf 评测计算机系统的网络性能, 也可用来评测 DLPI(Data Link Provider Interface),Unix Domain Socket 的性能 TCP UDP 的带宽和请求应答数

62 测试执行程序 ( 续 ) SPECsfs97 评测系统的 NFS 性能采用客户机 / 服务器模式, 客户机向服务器发送特定的 NFS 请求, 得到 NFS 文件服务器的吞吐量和响应时间 SPECjvm98 使用 8 个应用来评测 JAVA 虚拟机的性能 SPLASH Stanford 大学开发, 评测共享存储系统性能

63 PC 系统活动与性能分析 Window 性能分析器 pcw2008_v186.exe PC CPU_Z Intel Battery Life Analyzer(Win7) 测量 CPU 利用率识别高 CPU 利用率软件部件测量 CPU 的 C 态驻留 BLA 的 USB 分析器 Microsoft Window Performance Toolkit(xperf) WPT: 仅适合 Windows Vista 及以后版本 Sysinternals Process Monitor Filemon+Regmon I/O( 硬盘网络 ) Intel VTune

64 Hot Topics in Computer Architecture 1950s and 1960s: Computer Arithmetic 1970 and 1980s: Instruction Set Design ISA Appropriate for Compilers 1990s: Design of CPU, memory, and I/O system Multiprocessors Instruction Set Extensions 2000s: SOC design Specialized application processors

65 技术挑战与体系结构设计功耗频率墙 ( frequency wall) 不能仅仅依靠提高处理器的主频来提高系统的性能

66 技术挑战与体系结构设计每瓦效能 (performance per Watt)

67 技术挑战与体系结构设计 10 6 Relative e performance 10 3 Processor Memory Calendar yea r 处理器性能与存储系统性能之间存在巨大差距 ( 存储墙 : Memory Wall)

68 技术挑战与体系结构设计处理器主频 I/O 总线频率主频 (MHz) 处理器 DX2 486DX4 P-100 P-150 P-200 PII-300 PIII-600 PIII-800 PIII-1G P4-1.5G P4-2.0G P4-2.5G P4-3.0G 处理器的主频与 I/O 总线时钟频率之间存在巨大差距 (I/O 墙 : I/O wall)

69 第一台现代意义的电子计算机 ENIAC,1946 年美国宾夕法尼亚大学, 运算速度 5000 次 / 秒, 功耗 150kw/h, 占地 170m 2, 造价 100 万美元十进制并行计算机 ( 同时处理 10 个十进制输 )

70 第一台存储程序式计算机 EDSAC 根据冯诺依曼起草的 EDVAC 计算机设计方案, 由威尔克斯 1949 年在剑桥实现采用水银延迟线为存储器, 可存储 34b 字长的 512 字加法时间 1.5ms, 乘法时间 4ms 串行计算机 ( 数据传输和运算按位逐一进行 )

71 冯诺依曼的 EDVAC 计算机,1952 时钟 1MHz, 字长 32 位串行计算机

72 关于微处理器的第一个专利 (1958 年 )

73 TI 的第一个微处理器体系结构专利是最早和最重要的专利 1971 年 8 月 31 日其后 Intel 向其购买了授权控制器寄存器总线

74 第一款商用微处理器 Intel 年推出 3mm 4mm 10 微米制程 ( 头发的 1/10?) 2,250 个晶体管最高频率 740kHz 8 位指令集 46 条指令能执行 4 位运算 12 位地址

75 第一台微机 :Altair 8800,1975 显示器? IBM PC 机 :IBM 5150,1981 CPU:Intel 8088, 频率 4.77MHz( 浮点运算要加装 Intel 8087 加速卡 ) RAM:16KB, 最大可到 256KB 显示适配器 :16 色输出与分辨率, (CGA) 储存 : 录音带,5.25 吋软盘驱动器要选购, 甚至没办法装硬盘 OS:PC-DOS 1.0( 尚未改名为 MS-DOS) 要价 :$1,565, 如果要全配 ( 内存全满彩色屏幕等 ) 则是 $6,000

76 电子计算机的发展 ( 五代 ) 电子管计算机 (Vacuum Tubes) : 磁鼓存储器, 机器语言汇编语言编程 ENIAC 晶体管计算机 (Transistors) : 磁芯作主存储器, 磁盘作外存储器, 开始使用高级语言编程 IBM 700/7000 系列,50 万次 /s 集成电路计算机 : 使用半导体存储器, 出现多终端计算机和计算机网络 IBM 360 系列, 百万次 /s 大规模集成电路计算机 : 出现微型计算机单片微型计算机, 外部设备多样化人工智能计算机 : 模拟人的智能和交流方式

77 计算机的分代分代器件体系结构技术软件技术典型机器第一代 ( ) 电子管和继电器存储程序计算机程序控制 I/O 机器语言和汇编语言普林斯顿 ISA ENIAC IBM701 第二代 ( ) 晶体管磁芯印刷电路浮点数据表示寻址技术中断 I/O 处理机高级语言和编译批处理监控系统 Univac LARC CDC1604 IBM7030 第三代 ( ) SSI 和 MSI 多层印刷电路微程序流水线 Cache 先行处理系列计算机多道程序和分时操作系统 IBM360/370CD C6600/7600 DEC PDP-8 第四代 ( ) LSI 和 VLSI 半导体存储器向量处理分布式存储器并行与分布处理 Cray-1 IBM 3090 DEC VAX9000 Convax-1 第五代 (1991-) 高性能微处理器大规模高密度电路指令级并行 SMP MP MPP 网络可扩展并行与分布处理 SGI Cray T3E IBM xserver Sun E10000

78 计算机的分代价格((((((((对数坐标巨型机大型机中型机小型机虚线为等性能线时间微型机虚线为等性能线技术和性能的技术和性能的技术和性能的技术和性能的技术和性能的技术和性能的技术和性能的技术和性能的下移下移下移下移下移下移下移下移新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面新型体系结构的设计一方面是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例另一方面则另一方面则另一方面则另一方面则另一方面则另一方面则另一方面则另一方面则是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性

79 电子计算机分类

80 应用需求的发展服务器吞吐量 (throughput), 可用性 (availability), 可扩展性 (scalability) $10K - $10M [$200 - $2000 / 处理器 ] 微机系统性能价格比驱动 $ $10,000 [$100 - $1000 / 处理器 ] 嵌入式系统针对特定应用低价位, 低功耗, 实时 $10 - $100,000 [$ $200 / 处理器 ]

81 Dependence on Application Area Servers High Performance Integer and character strings Desktop High Performance Integer and floating point programs Embedded systems Code size Realtime performance on continuous data streams Hand optimized kernels

82 微型计算机的典型应用信息技术 : 微电子是基础, 计算机通信网络是载体, 软件是核心数值计算数据管理信息处理通用微机要求功能强使用方便过程控制智能化仪器仪表数据通讯专用微机 : 单片机 (MCS-51 等 ) 单板机 (Z80) 工控机要求可靠性高实时性强应用程序相对简单数据处理量较小

83 千万亿次超级计算机

84 天河一号 A(2010 年 ) CPU+GPU 异构体系 : 实测运算能力倍增至 2507 万亿次自主可控原则 : 秦砖与长城 2048 颗我国自主研发的飞腾 FT-1000 八核处理器基于 SUN 公司 UltraSparc T2 处理器颗 Intel Xeon( 至强 )X GHz 六核处理器 7168 块 NVIDIA Tesla M2050 高性能计算卡 ($2500/ 块 )

85 小结计算机系统由软件和硬件组成计算机系统存在层次化结构计算机组成 vs. 计算机体系结构 Von Neumann 机计算机硬件系统由五大部件组成信息以二进制表示指令由 op 和 addr 构成存储程序控制顺序执行指令的执行过程硬件系统技术指标主频与计算性能的关系

86 Computational Thinking 计算思维问题表示? 问题求解? 求解效率? 运用计算机科学的基础概念求解问题, 设计系统, 理解人类行为指受过良好训练的计算机科学工作者面对问题所习惯采用的思维方法, 分析问题与解决问题的典型手段与途径基本概念 : 约简嵌入嵌入转化转化仿真递归并行并行多维分析多维分析类型检查抽象分解分解 SoC 建模保护冗余冗余容错容错纠错纠错系统恢复启发式调度调度折衷

87 作业作业第一章 : ( 可选 ) 思考 ( 选 1, 下周 5 交 ) 综述计算机技术的发展历程及热点问题阅读 Patterson 的第 1 2 章 Mark Weiser, The computer for the 21st century,1991 最新 Intel 处理器的性能指标? 计算机的开机过程? C 语言计算机模型? getchar() 实现过程? PC 系统活动与性能分析跑一个 Benchmark, 给出结果? 主频与计算性能的关系?

88 88/94

本课程的作用数据结构算法设计组成原理操作系统编译原理体系结构该课程为今后学习操作系统编译原理计算机体系结构计算机网络计算机容错技术并行计算分布式系统等课程打好基础

本课程的作用数据结构算法设计组成原理操作系统编译原理体系结构该课程为今后学习操作系统编译原理计算机体系结构计算机网络计算机容错技术并行计算分布式系统等课程打好基础计算机组成原理第一章概论李曦 llxx@ustc.edu.cn 本课程的作用数据结构算法设计组成原理操作系统编译原理体系结构该课程为今后学习操作系统编译原理计算机体系结构计算机网络计算机容错技术并行计算分布式系统等课程打好基础教学目的硬件系列课程之一计算机组成原理对计算机系统的基本组成结构和工作机制有比较透彻的理解微型计算机原理突出应用, 详细讲述微处理器芯片