計(jì)算機(jī)組成原理 - 第一講

1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 舒燕君舒燕君 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 舒燕君舒燕君 博士博士 、講師、講師 研究方向：研究方向： 云計(jì)算系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè)云計(jì)算系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè) 高端容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高端容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)容錯(cuò)性能評(píng)測(cè)工具系統(tǒng)容錯(cuò)性能評(píng)測(cè)工具 軟件可靠性評(píng)估軟件可靠性評(píng)估 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：QQ: 6016511 辦公室辦公室地址：綜合實(shí)驗(yàn)樓地址：綜合實(shí)驗(yàn)樓510房間房間 助教助教 研究生助教研究生助教 翁琴翁琴 研究研究方向：開(kāi)源軟件可靠性模型研究方向：開(kāi)源軟件可靠性模型研究 負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)課程內(nèi)容答疑、隨堂課程內(nèi)容答疑、隨堂測(cè)試、作業(yè)的批改測(cè)試、作

2、業(yè)的批改 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：QQ：2294578808 本科生本科生助教助教 史少帥史少帥 負(fù)責(zé)自主實(shí)驗(yàn)答疑負(fù)責(zé)自主實(shí)驗(yàn)答疑 聯(lián)系聯(lián)系方式：方式：QQ: 609714709 課課 程程 概概 貌貌 講授內(nèi)容講授內(nèi)容 基本部件的結(jié)構(gòu)和組織方式基本部件的結(jié)構(gòu)和組織方式 基本運(yùn)算的操作原理基本運(yùn)算的操作原理 基本部件和單元的設(shè)計(jì)思想基本部件和單元的設(shè)計(jì)思想 特色特色 計(jì)算機(jī)組成的一般原理，不以具體機(jī)型為依托計(jì)算機(jī)組成的一般原理，不以具體機(jī)型為依托 采用自頂向下的方式、層層細(xì)化采用自頂向下的方式、層層細(xì)化 教材教材 唐朔飛唐朔飛. 計(jì)算機(jī)組成原理（第計(jì)算機(jī)組成原理（第2版）版）.高等教育高等教育 出

3、版社出版社 參考教材 David A. Patterson, John L. Hennessy. Computer Organization & Design: A Hardware/Software Interface 5 5 David M. Harris, Sarah L. Harris. Digital Design and Computer Architecture 本課程在課程體系中的地位本課程在課程體系中的地位 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 編譯技術(shù)編譯技術(shù) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 應(yīng)用基礎(chǔ)應(yīng)用基礎(chǔ) C語(yǔ)言編程語(yǔ)言編程 存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理 調(diào)度調(diào)度 并發(fā)并發(fā) 代碼生成代碼生成

4、優(yōu)化優(yōu)化 計(jì)算機(jī)體系計(jì)算機(jī)體系 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 基本邏輯單元基本邏輯單元 處理器基本知識(shí)處理器基本知識(shí) 數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成 原理原理 如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn) 具體細(xì)節(jié)具體細(xì)節(jié) 知其然知其然 1.分析評(píng)測(cè)分析評(píng)測(cè) 知其所以然知其所以然 2.并行計(jì)算機(jī)系并行計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)入門(mén)統(tǒng)結(jié)構(gòu)入門(mén) 教學(xué)模式：采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)教學(xué)模式：采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué) 5252學(xué)時(shí)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)課堂教學(xué) 1212學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn) 課程的考核課程的考核 期末考試期末考試 60%60% 上機(jī)實(shí)驗(yàn)上機(jī)實(shí)驗(yàn) 20%20% 隨堂測(cè)試和作業(yè)隨堂測(cè)試和作業(yè)10%10% 自主實(shí)驗(yàn)自主實(shí)驗(yàn) 1

5、0%10% 答疑安排：答疑安排： 加入加入QQ QQ 群（群號(hào)：群（群號(hào)：115718359115718359），推薦?。扑]！ 每周五下午每周五下午2 2點(diǎn)半點(diǎn)半-5-5點(diǎn)，綜合樓點(diǎn)，綜合樓510510 考核安排考核安排 期末考試期末考試 60%60% 上機(jī)實(shí)驗(yàn)上機(jī)實(shí)驗(yàn) 20%20% 隨堂測(cè)試隨堂測(cè)試 5%5%，一共六次，每次，一共六次，每次1 1分，分，5 5次則滿分次則滿分 作業(yè)作業(yè) 5%5%，讀書(shū)報(bào)告、課后作業(yè)，讀書(shū)報(bào)告、課后作業(yè) 自主實(shí)驗(yàn)、出題自主實(shí)驗(yàn)、出題 10%10%，分組完成，具體見(jiàn)群文件，分組完成，具體見(jiàn)群文件 第第章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 第第章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概

6、論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.4 本書(shū)結(jié)構(gòu)本書(shū)結(jié)構(gòu) 1.3 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo) 1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的多態(tài)性現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的多態(tài)性 來(lái)自于國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)郭斯彥來(lái)自于國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)郭斯彥 教授講稿教授講稿 跑得最快的計(jì)算機(jī)跑得最快的計(jì)算機(jī)（截止（截止2015年年11月）月） 1212 Rank Site 國(guó)家國(guó)家 System 名稱名稱 Cores R m a x (TFlop/s) R p e a k (TFlop/s) 1 National Super Computer

7、Center in Guangzhou China Tianhe-2 (MilkyWay-2) - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E5- 2692 12C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P 中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)中國(guó)國(guó)防科技大學(xué) 3,120,00 0 33,862.7 54,902.4 2 D O E / S C / O a k Ridge National Laboratory United States Titan- Cray XK7 , Opteron 6274 16C 2.2GHz, Cray Gemin

8、i interconnect, NVIDIA K20 x 制造商：制造商：Cray Inc.克雷公司克雷公司 所屬：美國(guó)能源部所屬：美國(guó)能源部Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 560,640 17,590.0 27,112.5 3 DOE/NNSA/LLNL United States Sequoia- BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom 制造商：制造商：IBM 所屬：美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家核安全管理局所屬：美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家核安全管理局 1,572,86 4 17,173.2 20132.7 4 RIKEN Advanced I nst

9、itute for Computational Science (AICS) Japan K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect 制造商：制造商：Fujitsu 富士通富士通 所屬：日本計(jì)算科學(xué)研究機(jī)構(gòu)所屬：日本計(jì)算科學(xué)研究機(jī)構(gòu) 705,024 10510.0 11280.4 5 DOE/SC/Argonne N a t i o n a l Laboratory United States Mira- BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60GHz, Custom 制造商：制造商：IBM 所屬：美國(guó)能源部所屬

10、：美國(guó)能源部/ SC /Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家實(shí)驗(yàn)室IB 786,432 8,586.6 10066.3 Tianhe-2 Site:National Super Computer Center in Guangzhou Manufacturer:NUDT Cores:3,120,000 Linpack Performance (Rmax)33,862.7 TFlop/s Theoretical Peak (Rpeak)54,902.4 TFlop/s Power:17,808.00 kW Memory:1,024,000 GB Interconnect:TH Express-2 Ope

11、rating System:Kylin Linux Compiler:icc Math Library:Intel MKL-11.0.0 MPI:MPICH2 with a customized GLEX channel Titan- Cray XK7Titan- Cray XK7 “泰坦泰坦”是一套擁有是一套擁有200200個(gè)機(jī)柜、個(gè)機(jī)柜、1868818688個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的Cray Cray XK7XK7超算系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一顆推土機(jī)架構(gòu)的超算系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一顆推土機(jī)架構(gòu)的AMD Opteron AMD Opteron 62006200十六核心處理器、一塊開(kāi)普勒架構(gòu)的十六核心處理

12、器、一塊開(kāi)普勒架構(gòu)的NVIDIA Tesla K20 NVIDIA Tesla K20 GPUGPU加速計(jì)算卡，整體浮點(diǎn)性能超過(guò)加速計(jì)算卡，整體浮點(diǎn)性能超過(guò)20PFlops(20PFlops(每秒鐘每秒鐘2 2億億億億 次浮點(diǎn)計(jì)算次浮點(diǎn)計(jì)算) )，系統(tǒng)的性能最高可以拓展超過(guò)，系統(tǒng)的性能最高可以拓展超過(guò)50PFlops50PFlops。該該 運(yùn)算能力是前一輩超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力是前一輩超級(jí)計(jì)算機(jī)Jaguar Jaguar 的十倍，是普通計(jì)算的十倍，是普通計(jì)算 機(jī)的機(jī)的2020萬(wàn)億倍。值得一提的是，該計(jì)算機(jī)的部分部件原本是萬(wàn)億倍。值得一提的是，該計(jì)算機(jī)的部分部件原本是 打算應(yīng)用在游戲型計(jì)算機(jī)上。打算

13、應(yīng)用在游戲型計(jì)算機(jī)上。 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能 的信息（程序）組成的信息（程序）組成 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)的實(shí)體，計(jì)算機(jī)的實(shí)體， 如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等 一、一、 計(jì)算機(jī)的軟硬件概念計(jì)算機(jī)的軟硬件概念 硬件硬件 軟件軟件 按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序 用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 語(yǔ)言處理程序語(yǔ)言處理程序 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 服務(wù)性程序服務(wù)性程序 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟

14、件 軟軟 件件 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 高級(jí)語(yǔ)高級(jí)語(yǔ) 言程序言程序 目標(biāo)目標(biāo) 程序程序 結(jié)果結(jié)果 翻譯翻譯運(yùn)行運(yùn)行 2. 計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程 二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言 實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1 微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng) 微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M0 用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯 成匯編語(yǔ)言程序成匯編語(yǔ)言程序 用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯 成機(jī)器語(yǔ)言程序成機(jī)器語(yǔ)言程序 用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng) 用微指令解釋機(jī)器指令用微指

15、令解釋機(jī)器指令 由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令 軟軟 件件 硬硬 件件 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M4 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2 實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1 微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M0 程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性 概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 組成組成 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性 有無(wú)乘法指令有無(wú)乘法指令 如何實(shí)現(xiàn)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令 （指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/OI/O機(jī)理）機(jī)理） （具體指令的實(shí)現(xiàn)）（具

16、體指令的實(shí)現(xiàn)） 三、三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成 1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成 1. 計(jì)算機(jī)由五大部件組成計(jì)算機(jī)由五大部件組成 3. 指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示 4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成 6. 以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心 2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器， 可按地址尋訪可按地址尋訪 5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 一、馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算 邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算 存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù) 和程序和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)將信息轉(zhuǎn)換成機(jī)

17、器能識(shí)別的形式器能識(shí)別的形式 將結(jié)果轉(zhuǎn)換成將結(jié)果轉(zhuǎn)換成 人們熟悉的形式人們熟悉的形式 指揮程序指揮程序 運(yùn)行運(yùn)行 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 二、計(jì)算機(jī)硬件框圖二、計(jì)算機(jī)硬件框圖 1. 以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖 程序程序 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備 運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 結(jié)果結(jié)果 計(jì)算計(jì)算 ALU 主存主存 輔存

18、輔存 CPU 主機(jī)主機(jī) I/O設(shè)備設(shè)備 硬件硬件 CU 2. .現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 運(yùn)算器運(yùn)算器 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 控制器控制器 ALU CPU 主機(jī)主機(jī) I/O 設(shè)備設(shè)備 CU 主主 存存 1. .上機(jī)前的準(zhǔn)備上機(jī)前的準(zhǔn)備 建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型 - -+ +- -+ +- -= = ! x9 ! x7 ! x5 ! x3 xx 9753 sin 編制解題程序編制解題程序 確定計(jì)算方法確定計(jì)算方法 程序程序 運(yùn)算的運(yùn)算的 全部步驟全部步驟 指令指令 每每 一個(gè)步驟一個(gè)步驟 三、計(jì)算機(jī)的工作步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟 0, 1, 2,)( )( 2 1 n yn x yn x = =+ += = yn+1= = 取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中 乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中 乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中 存存ax2 在存儲(chǔ)器中在存儲(chǔ)器中 取取b 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中 乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中 加加ax2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中 加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中 = ( (ax + b) )x + c