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1 计算机组成原理 王浩宇, 北京邮电大学计算机学院 本部教三楼 626

2 2 2017/3/2 BIG PICTURE

3 3 2017/3/2 计算思维 VS. 系统思维 计算思维 Computational Thinking (CT) is the thought processes involved in formulating a problem and expressing its solution(s) in such a way that a computer human or machine can effectively carry out. 核心是抽象和自动化 从计算机学科中提炼出来的一种普适思维方式 From Computational_thinking

4 Abstraction VS. Reality /3/2 计算机系统中提供不同层次的抽象, 来隐藏实际实现的复杂性 信息以二进制方式表示 通过抽象降低复杂度 抽象数据类型 数据结构 渐进分析 (Asymptotic Analysis) 通过抽象来简化分析过程, 忽略每个语句的实际开销 对运行时间的增长率感兴趣, 只考虑运行时间表达式的最高次数项 算法模型 然而, 要理解抽象的局限性 尤其是在需要处理 bug 的时候 为了保证程序的正确性和性能需要理解底层的实现 很多时候抽象的接口并不能提供所需要的控制和性能

5 5 2017/3/2 Great Reality #1 There s more to performance than asymptotic complexity ( 性能比渐进复杂度更重要 ) Constant factors matter too! And even exact op count does not predict performance Easily see 10:1 performance range depending on how code written Must optimize at multiple levels: algorithm, data representations, procedures, and loops Must understand system to optimize performance How programs compiled and executed How to measure program performance and identify bottlenecks How to improve performance without destroying code modularity and generality

6 6 2017/3/2 Great Reality #1 4.3ms 81.8ms 2.0 GHz Intel Core i7 Haswell Hierarchical memory organization Performance depends on access patterns Including how step through multi-dimensional array

7 Why the performance differs? /3/2

8 8 2017/3/2 Great Reality #2 Example1: X 2 >=0? Float s:yes! Int s? * > * >?

9 9 2017/3/2 Great Reality #2 Example2: Is (x + y) + z = x + (y + z)? Unsigned & Signed Int s: Yes! Float s: (1e e20) > e20 + (-1e ) -->?? Cannot assume all usual mathematical properties Due to finiteness of representations Integer operations satisfy ring properties Commutativity, associativity, distributivity Floating point operations satisfy ordering properties Monotonicity, values of signs

10 /3/2 So 计算机好像不可靠 从机器角度来说, 它永远是对的! 程序执行结果不仅依赖于高级语言语法和语义, 还与其他很多方面有关 理解程序的执行结果要从系统层面考虑! 学完 计算机组成原理 就会对计算机系统有清晰的认识, 以后再学其他相关课程就容易多了 把许多概念和知识联系起来, 站在 计算机系统 的角度考虑问题!

11 /3/2 系统思维 从计算机角度出发来分析问题和解决问题的方法 取决于对计算机系统有多了解, 知其然也知其所以然 高级语言语句都要转换为机器指令才能在计算机上执行 机器指令是一串 0/1 序列, 能被机器直接理解并执行 计算机系统是模运算系统, 字长有限, 高位被丢弃 运算器不知道参加运算的是带符号数还是无符号数 在计算机世界,x*x 可能小于 0,(x+y)+z 不一定等于 x+(y+z) 访问内存需几十到几百个时钟, 而访问磁盘需几百万个时钟 进程具有独立的逻辑控制流和独立的地址空间 进程调用使用栈存放参数和局部变量等, 递归过程有大量额外指令, 增加时间开销, 并可能发生栈溢出

12 课程主要研究内容 本课程是计算机学科的专业基础课, 主要教学内容 : 计算机的基本组成 内部结构及其各个部件的工作原理 计算机系统工作原理 计算机的分析 设计方法 How hardware (processors, memories, disk drives, network infrastructure) + software (operating systems, compilers, libraries, network protocols) combine to support the execution of application programs

13 /3/2 计算机组成原理

14 课程教学目标 深入理解计算机系统的内部工作原理 理解计算机系统层次化结构概念 了解硬件与软件之间的界面 掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法 培养学生的系统能力, 使其成为一个高效的程序员 程序调试 性能提升 程序移植和健壮性等 在程序与执行机制之间建立关联, 强化理解而不是记忆!

15 /3/2 在计算机课程体系中的地位 操作系统编译原理计算机网络体系结构 存储管理 调度 并发等 代码生成 优化 网络协议 通信 计算机组成原理 抽象化与理论化 计算机基础知识 基本逻辑单元处理器基础知识 计算机导论 数字逻辑

16 课程计划 总 学 时 :80 学时 课堂教学 : 64 学时 上机实验 : 16 学时 作业 : 8~10 次 考试 : 期中考试期末考试 ( 闭卷 ) 成绩 : 上机实验 20% 期中考试 10% 平时作业 10% 期末考试 60% 助教 : 郭梦颖 答疑 : 待定

17 /3/2 课程交流 授课教师 : 王浩宇 haoyuwang@bupt.edu.cn 课程主页 :sei.pku.edu.cn/~wanghy11/2017spring 课程交流微信群 :

18 教材及参考资料 计算机组成原理 白中英主编, 科学出版社 参考资料 : 深入理解计算机系统 推荐! Computer Systems: A Programmer s Perspective, Randal E. Bryant,David R. O Hallaron 参考课程网站

19 本课程基本内容 第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章 计算机系统概论运算方法和运算器存储系统指令系统中央处理器总线系统外围设备输入输出系统其他

20 /3/2 1.1 计算机系统初识

21 /3/2 1.1 计算机系统初识 追踪 hello world 程序的生命周期来认识计算机系统 信息就是位 + 上下文 系统中所有的信息 ( 文件 程序 数据等 ) 都是由一串比特表示 区分不同数据对象的唯一方法是读到这些数据对象时的上下文

22 /3/2 1.1 计算机系统初识 程序被翻译成不同的格式

23 /3/2 1.1 计算机系统初识 程序被翻译成不同的格式 预处理 : 根据以 # 开始的命令, 修改原始 C 程序 编译 : 为不同高级语言的不同编译器提供通用输出语言 汇编 : 翻译成机器语言指令 链接 :printf.o 目标文件

24 1.1 计算机系统初识 处理器读并解释储存在存储器中的指令 从键盘上读取 hello 命令 /3/2

25 1.1 计算机系统初识 处理器读并解释储存在存储器中的指令 从磁盘加载可执行文件到主存 /3/2

26 1.1 计算机系统初识 处理器读并解释储存在存储器中的指令 将输出字符串从内存写到显示器 /3/2

27 /3/2 1.1 计算机系统初识 系统花费大量时间把信息从一个地方挪到另一个地方 处理器从磁盘中读取一个字的开销要比从主存中读取的开销大 1000 万倍 处理器与主存的速度差距 (processor-memory gap) 在持续增大 高速缓存

28 /3/2 1.1 计算机系统初识 存储器层次结构

29 /3/2 1.1 计算机系统初识 操作系统管理硬件 当 shell 加载和运行 hello 程序, 以及 hello 程序输出时,shell 和 hello 程序都没有直接访问键盘 显示器 磁盘或者主存 它们依靠操作系统提供的服务

30 /3/2 1.1 计算机系统初识 小结 系统不仅仅是硬件, 计算机系统是由硬件和系统软件互相交织的结合体, 它们共同协作以运行应用程序 程序执行的结果和性能由编译 链接以及操作系统的处理方式和计算机执行指令的方式和执行电路决定

31 /3/2 1.2 计算机的发展简史

32 /3/2 1.2 计算机的发展简史 Key Point: Evolution of computers Increasing processor speed Decreasing component size Increasing memory size Increasing I/O capacity and speed Great increase in processor speed Smaller microprocessor components Reduced distance between components Organization of the processor To balance the performance of the various elements, e.g., processor VS. memory

33 1.2 计算机的发展简史 计算机的五代变化 第一代为 年, 电子管计算机 : 数据处理 第二代为 年, 晶体管计算机 : 工业控制 第三代为 年, 中小规模集成电路计算机 : 小型计算机 第四代为 年, 大规模和超大规模集成电路计算机 : 微型计算机 第五代为 1991 年开始, 巨大规模集成电路计算机 : 单片机

34 第一代为 年 第一代 : 真空管 ( 电子管 Vacuum Tube)1946~57 年 1946 年诞生第 1 台电子计算机 -ENIAC 体积庞大, 重 30 吨, 有 多个真空管组成, 5000 次加法 / 秒 采用十进制表示 / 运算, 其存储器由 20 个累加器组成, 每个累加器可存 10 位十进制数, 每一位数由 10 个真空管表示 采用手动编程, 通过设置开关和插拔电缆来实现

35 第一代为 年 冯 诺依曼机 (Von Neumann Machine) 45 年冯 诺依曼提出 存储程序 (Storedprogram) 思想, 并于 46 年开始设计 存储程序 计算机 存储程序 思想 : 将事先编好的程序和原始数据送入主存中, 然后启动执行 计算机应能在不需操作人员干预下, 自动完成逐条取出指令和执行指令的任务

36 第一代为 年 The first general-purpose computer - ENIAC

37 第一代为 年 BACK

38 第二代 : 晶体管 1958~64 年 第二代 : 晶体管 1958~64 年 元器件 : 逻辑元件采用晶体管, 内存由 磁芯构成, 外存为磁鼓与磁带 晶体管 : Transistor 特点 : 变址, 浮点运算, 多路存储器, I/O 处理机, 中央交换结构 ( 非总线结构 ) 软件 : 使用高级语言, 提供了系统软件 代表机种 :IBM 7094 (scientific) 1401 (business) 和 DEC PDP-1 DEC PDP-1

39 第三代 : 集成电路 1958~64 年 第三代 :SSI/MSI 1965~71 年 元器件 : 逻辑元件与主存储器均由集成电路 (IC) 实现 特点 : 微程序控制,Cache, 虚拟存储器, 流水线等 代表机种 :IBM 360 和 DEC PDP-8( 大 / 巨型机与小型机同时发展 ) 巨型机 (Supercomputer):Cray-1 大型机 (Mainframe):IBM360 系列 小型机 (Minicomputer):DEC PDP-8 Cray-1

40 IBM System/360 系列计算机 IBM 公司于 1964 年研制成功 引入了 兼容机 ( 系列机 ) 概念 兼容机的特征 : 相同的或相似的指令集 相同或相似的操作系统 更高的速度 更多的 I/O 端口数 更大的内存容量 更高的价格 IBM 360 低端机指令集是高端机的一个子集, 称为 向后兼容 功能相同, 而性能不同

41 DEC 公司的 PDP-8 机 PDP-8 创造了小型机的概念, 并使之成为数十亿美 元的工业, 使 DEC 成为了最大的小型机制造商 主要特点 : 首次采用总线结构 Omnibus 总线包含了 96 个独立的信号通道, 用以传送控制 地址和数据信号 具有高度的灵活性, 允许将模块插入总线以形成各种配置 节省器件, 体积小, 价格便宜

42 第四 五代为 1972 至今 第四代 :LSI/VLSI/ULSI 1972~ 至今 微处理器和半导体存储器的技术发展迅猛, 微型计算机出现 使计算机以办公设备和个人电脑的方式走向普通用户 出现摩尔定律 1970 年, 仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器 微处理器芯片密度不断增加, 使 CPU 中所有元件放在一块芯片上成为可能 71 年开发出第一个微处理器芯片 4004 特点 : 共享存储器, 分布式存储器及大规模并行处理系统

43 微型计算机 2017/3/2

44 /3/2 解剖一台计算机

45 /3/2 摩尔定律 当价格不变时, 集成电路上可容纳的元器件的数目, 约每隔 个月便会增加一倍, 性能也将提升一倍

46 /3/2 芯片设计工艺发展趋势 摩尔定律趋于失效?

47 Processor-Memory Gap /3/2

48 /3/2 超级计算机

49 /3/2 1.3 计算机的硬件

50 1.3 计算机的硬件 从程序员角度看计算机系统组由计算机软和硬件两部分组成

51 1.3 计算机的硬件 处理器 (CPU) 运算器控制器 主机 存储器 ( 内存 ) RAM ROM 输入 / 输出接口 (PIO SIO CTC ADC DAC ) (I/O 接口 ) 计算机系统 硬件 软件 外围设备 总线 (AB DB CB) 外部设备 辅助设备 输入设备 ( 键盘 扫描仪 语音识别仪 ) 输出设备 ( 显示器 打印机 绘图仪 ) 辅助存储器 ( 磁带 磁盘 光盘 ) 电源电路时钟电路 系统软件 ( 操作系统, 编辑 编译程序, 故障诊断, 监控程序 ) 应用软件 ( 科学计算, 工业控制, 数据处理 ) 程序设计语言 ( 机器语言 汇编语言 高级语言 )

52 1.3 计算机的硬件 从打算盘开始说起 通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理 - 道具 : 一个算盘, 一张带有横格的纸, 一支笔 - 主角 : 人 - 工作 : 计算题目 y=ax+b-c - 要求 : 解题步骤和数据都要记录到横格纸上 - 步骤 :

53 手工模仿计算机工作 53

54 1.3 计算机的硬件 计算机基本组成 从硬件设计人员角度来看计算机组成 控制器 : 操作控制功能, 人 运算器 : 计算功能, 算盘 存储器 : 记忆功能, 纸 输入 / 输出设备 : 交互接口, 笔

55 1.3 计算机的硬件 冯 诺依曼型计算机 五大部件 : 控制器 运算器 存储器 输入设备 输出设备 存储程序 指令和数据用二进制表示, 存储在存储器 按地址自动执行 以运算器为中心

56 1.3 计算机的硬件 冯 诺依曼型计算机

57 1.3 计算机的硬件 运算器 算术运算和逻辑运算 在计算机中参与运算的数是二进制 运算器的长度一般是 或 64 位 字节 :8 位二进制 字长 : 运算器一次运算的二进制位数 寄存器 B 运算电路单元 累加器 A

58 1.3 计算机的硬件 存储器 存储数据和程序 ( 指令 ) 容量 ( 存储单元 存储单元地址 容量单位 ) 分类内存 (ROM RAM) 外存 存储器单位 : 2 10 byte=1k 2 10 K=1M 2 10 M=1G 2 10 G=1T

59 1.3 计算机的硬件 控制器 控制器的基本任务 : 按照一定的顺序一条接着一条取指令 指令译码 执行指令 取指周期和执行周期 指令和程序 : 指令的形式 ( 操作和地址码 存储程序的概念 指令中程序和数据的存放 指令系统 ) 操作码 地址码 计算机内部 : 指令流和数据流 指令和数据都以二进制形式存储在存储器中, 如何区分指令和数据?

60 1.3 计算机的硬件 加法 001 减法 010 乘法 011 除法 100 取数 101 存数 110 打印 111 停机 000 操作码 操作数 指令和数据在存储器中用二进制码存储

61 1.3 计算机的硬件 控制器按照时序工作, 通常将分为两个过程 : 取指周期 : 从内存读出的信息流是指令流, 它流向控制器 ; 执行器周期 : 从内存读出的信息流是数据流, 它由内存流向运算器

62 1.3 计算机的硬件 中央处理器 CPU: 运算器 + 控制器 指令系统 : 中央处理器的基本指令, 反映该 CPU 的基 本功能

63 1.3 计算机的硬件 输入设备 : 把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式 例如鼠标 键盘等 输出设备 : 把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式 例如显示器 激光打印机等

64 1.3 计算机的硬件 其他 : 适配器 /IO 接口 : 相当于转换器 它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系 总线 : 构成计算机系统的骨架, 是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路 构建标准化的总线 总之, 现代电子计算机是由中央处理器 ( 运算器 控制器 ) 存储器 适配器 总线和输入/ 输出设备组成的 这也是人们常说的计算机硬件

65 /3/2 1.4 计算机的软件

66 1.4 计算机的软件 系统软件 简化编程过程, 并使硬件资源被有效利用 操作系统 : 硬件资源管理, 用户接口 语言处理系统 : 翻译程序 +Linker,Debug,etc 翻译程序有三类 : 汇编程序 : 汇编语言程序 - 机器语言目标程序 编译程序 : 高级语言源程序 - 机器级目标程序 解释程序 : 将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行, 不生成目标文件 其他实用程序 : 磁盘碎片整理程序 备份等 应用软件 解决具体应用问题 / 完成具体应用任务 各类媒体处理程序 Word/Image/Graphics/.. 管理信息系统等

67 1.4 计算机的软件 软件的发展演变 编程语言的发展 手编程序 : 机器语言程序, 手工编译二进制码 汇编程序 : 符号语言程序, 汇编程序汇编 高级程序 : 算法语言 / 高级语言, 机器编译程序 / 解释程序 系统软件的发展 操作系统 分布式系统软件 中间件技术 虚拟计算等

68 /3/2 1.5 计算机系统的层次结构

69 1.5 计算机系统的层次结构 多级计算机系统 - 计算机系统不能简单地认为是一种电子设备, 而是一个十分复杂的硬 软件结合而成的整体或智能设备, 是一个复杂系统 计算机语言可以说是一种虚拟的计算机系统 - 不同人看计算机不同 通常由五个以上不同的级组成, 每一级都能进行程序设计, 如图所示

70 1.5 计算机系统的层次结构 五级计算机层次系统 - 第一级是微程序设计级 这是一个实在的硬件级 这级的机器语言是位微指令集, 程序员用微指令编写的微程序, 一般直接由硬件执行 - 第二级是传统机器级, 这级的机器语言是该机的指令集 它由微程序解释机器指令系统 这一级也是硬件级 - 第三级是操作系统级, 它由操作系统程序实现 这些操作系统由机器指令和广义指令组成, 广义指令是操作系统定义和解释的软件指令, 所以这一级也称为混合级

71 1.5 计算机系统的层次结构 第四级是汇编语言级, 它给程序人员提供一种符号形式语言, 以减少程序编写的复杂性 这一级由汇编程序支持和执行 如果应用程序采用汇编语言编写时, 则机器必须要有这一级的功能 ; 如果应用程序不采用汇编语言编写, 则这一级可以不要 第五级是高级语言级, 它是面向用户的, 为方便用户编写应用程序而设置的 这一级由各种高级语言编译程序支持和执行

72 1.5 计算机系统的层次结构 软件与硬件逻辑等价性 - 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势, 计算机系统的软 硬件界限已经变得模糊了 任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现 ( 设计计算机系统时, 应考虑各个方面的因素 : 价格 速度 可靠性 存储容量 变更周期 实体硬件机功能的扩大 固件的概念 ( 功能上是软件, 形态上是硬件 )

73 1.5 计算机系统的层次结构 2017/3/2

74 /3/2 1.6 计算机系统的主要技术指标

75 1.6 计算机系统的主要技术指标 机器字长 : 运算器一次运行二进制位数 运算速度 : - 描述一台计算机的运算速度的单位应该是每秒执行多少条指令如 :MIPS (Million Instructions Per Second) 每秒执行百万条指令 - 对于带有浮点运算的计算机系统, 常用每秒百万个浮点操作 :MFLOPS (Million Floating-point Operations Per Second) MFLOPS= 浮点数操作次数 6 执行时间 10

76 /3/2 1.6 计算机系统的主要技术指标 计算机有两种不同的性能 Time to do the task 响应时间 (response time) 执行时间 (execution time) 等待时间或时延 (latency) Tasks per day, hour, sec, 吞吐率 (throughput) 带宽 (bandwidth) 不同应用场合用户关心的性能不同 要求吞吐率高 多媒体应用 ( 音 / 视频播放流畅 ) 要求响应时间短 事务处理系统 ( 存 / 取款速度快 ) 要求吞吐率高且响应时间短 文件服务器 web 服务器等 基本的性能评价标准是 :CPU 的执行时间

77 1.6 计算机系统的主要技术指标 CPU 执行时间的计算 CPU 执行时间 = (CPU 时钟周期数 / 程序 )X 时钟周期 = (CPU 时钟周期数 / 程序 ) 时钟频率 = ( 指令条数 / 程序 ) X CPI X 时钟周期 CPU 时钟周期数 / 程序 = ( 指令条数 / 程序 ) X CPI CPI = (CPU 时钟周期数 / 程序 ) ( 指令条数 / 程序 ) CPI 用来衡量以下各方面的综合结果 Instruction Set Architecture(ISA) Implementation of that architecture program (Compiler, Algorithm)

78 1.6 计算机系统的主要技术指标 2017/3/2 对于某一条特定的指令而言, 其 CPI 是一个确定的值 但是, 对于某一类指令 或一个程序 或一台机器而言, 其 CPI 是一个平均值, 表示该类指令或该程序或该机器的指令集中每条指令执行时平均需要多少时钟周期

79 1.6 计算机系统的主要技术指标 举例说明 在已知指令系统内部各类指令的执行时间 (Ti) 情况下, 对机内运行的典型程序进行统计, 找出各类机器指令的使用频度 (fi) 才可计算出等效的指令执行时间 (T) T i 1 显然, 其等效的运算速度应为 : n fi Ti V 1 T

80 举例说明 指令名称参数 其他指令使用频度 (%) 执行时间 (ns) 传送指令 加 减法指令 乘 除法指令 逻辑运算指令 其他指令

81 举例说明 于是这台机器的等效运算速度应为 : V 1 ( ) ( ) 10 9 = 2 *10 6 条 / 秒 =2MIPS

82 小结 分层结构 : 复杂问题简单化, 分析 设计计算机系统简单化 逻辑等价性 硬件实现 软件实现 计算机性能指标 CPI MIPS MFLOPS

83 第一章小结 计算机系统的基本概念 构成 : 硬件和软件 层次结构 计算机系统的基本工作原理 计算机的基本组成部分 五大部件 冯 诺依曼型计算机特点 存储程序, 自动执行 二进制编码 五大部件组成, 以运算器为中心 计算机发展特点 计算机系统指标

84 第一章小结 本章重点 : 建立计算机系统整体概念 了解计算机系统基本概念 掌握冯 诺依曼计算机模型以及计算机组成 理解计算机系统层次结构 本章难点 : 计算机自动执行时控制器如何区分指令和数据

85 /3/2 作业 课外阅读材料 Computer Systems: A Programmer s Perspective, Randal E. Bryant,David R. O Hallaron 第一章内容

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