Computer Architecture and Organization Department of Computer Science and Technology Nanjing University Fall 2013 Instructor: Shuai Wang
Course Goal In depth understanding of modern computer architecture, fundamental issues, and engineering tradeoffs. How to design a computer system. Understanding how a computer system works and why it performs as it does.
Textbook 自编教材 : 计算机组成与系统结构 袁春风教授著
Reference Books Computer Organization and Design: hardware and software interface, Patterson and Hennessy,4th Edition, Morgan Kaufmann Pub. 英文版 : 机械工业出版社影印 中文版 : 机械工业出版社郑纬民等翻译 (3rd)
Course Description Instructor: 王帅 (swang@nju.edu.cn swang@nju.edu.cn) Office: 406 CS Department Building Course homepage: http://cs.nju.edu.cn/swang/comparchorg_13f Class Meeting: Monday, 8:00AM 9:50AM, 仙 -I 104 Friday, 10:10AM 12:00PM, 仙 -I 104
Course Outline Computer System Overview Data Representation Arithmetic Logic Unit (ALU) Memory Hierarchy Instruction Set Architecture (ISA) Central Processing Unit (CPU) Pipeline Bus & I/O
Grading Policy Class Participation:10% Homework Assignments:15% Labs and Projects: 20% Mid-term Exam: 20% Final Exam:35%
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Lecture 1: Computer Abstractions 计算机系统概述 第 1 讲 : 计算机系统概述
第一讲计算机系统概述 计算机发展简史 通用计算机模型机 : 冯. 诺依曼结构 IBM360 系列机 : 引入兼容性 ( 系列机 ) 概念 DEC PDP-8: 引入总线结构 计算机系统的组成 计算机硬件 :CPU + MM + I/O 计算机软件 : 系统软件 + 应用软件 计算机层次结构 计算机硬件和软件的接口 : 指令系统 计算机软件如何在硬件上执行 本课程主要内容
计算机的功能和特点 什么是计算机? 计算机是一种能对数字化信息数字化信息进行进行自动自动 高速高速算术和逻辑运算运算的通用处理装置的通用处理装置 计算机的功能 : 数据运算 数据存储数据存储 数据传送数据传送 控制 计算机的特点 : 高速 : 高速元件和 存储程序 方式带来高速性 通用 : 体现在处理对象和应用领域没有限制 准确 : 精度足够的算术运算带来准确性 智能 : 逻辑推理能力带来智能性
计算机的发展历史 你所用的第一台计算机是什么? 你现在在用的计算机又是什么?
回顾 : 计算机发展简史 第一代 : 真空管 ( 电子管 Vacuum Tube )1946 1946~57 年 46 年诞生第 1 台电子计算机 ENIAC - 体积大, 重 30 吨, 有 18000 多个真空管,5000 次加法 /s - 十进制表示 / 运算, 存储器由 20 个累加器组成, 每个累加器存 10 位十进制数, 每一位由 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 冯 诺依曼机 (Von Neumann Machine) - 45 年冯 诺依曼提出 存储程序 (Stored Stored-program) program) 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 SKIP
The First Generation: Vacuum Tube Computers (1946-1957) The first general-purpose computer - ENIAC
ENIAC----Non von Neumann Model BACK
John von Neumann December 28, 1903 - February 8, 1957 Hungarian-born American Contributions in : Mathematics Computer science Physics Quantum mechanics Game theory..
John von Neumann Gravestone in Princeton Cemetery, NJ
KURT F. GODEL Gravestone in Princeton Cemetery, NJ
冯 诺依曼结构的主要思想 1. 计算机应由运算器 控制器控制器 存储器存储器 输入设备和输出设备五个基本部件组成 2. 各基本部件的功能是 : 存储器不仅能存放数据, 而且也能存放指令, 形式上两者没有区别, 但计算机应能区分数据还是指令 ; 控制器应能自动执行指令 ; 运算器应能进行加 / 减 / 乘 / 除四种基本算术运算, 并且也能进行一些逻辑运算和附加运算 ; 操作人员可以通过输入设备输入设备 输出设备输出设备和主机进行通信和主机进行通信 3. 内部以二进制表示二进制表示指令和数据指令和数据 每条指令由操作码和地址码两部分组成 操作码指出操作类型, 地址码指出操作数的地址 由一串指令组成程序由一串指令组成程序 4. 采用 存储程序 工作方式
计算机发展简史 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 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 晶体管 : Transistor DEC PDP-1
计算机发展简史 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
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 问题 1: 引入 兼容机 有什么好处? 问题 2: 实现 系列机 的关键是什么?