清华大学 计算机组成与系统结构 第一周课件

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计算机组成原理第1章PPT课件

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3.数据传输率与数据通路宽度 (1)数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 (2)数据传输率(带宽):数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
(B/S)
主存带宽 =?
4.存储容量
1)主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统:对地址码译码,选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器:完成读/写操作,暂 存读/写数据。 控制线路:产生读/写时序,控制读/写操作。 3)讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
(3) 输入/输出设备 1)功能:转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 (1)以总线为基础的系统结构 特点:结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
(2)采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统(图1-6)
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关,它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 (1)定点/浮点四则运算时间
(2)每秒平均执行的指令条数(MIPS) (3)CPU时钟频率(Hz)
5M 100M 1G 2.0G 3.2G (4)典型程序执行时间 (5)每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序

计算机组成原理(本全)课件

计算机组成原理(本全)课件
计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机,20世纪40年代 中期至50年代末期,主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数,是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置,可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器,用 于存放运算数据和程序代码;外存则是计算机外部存储器,用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分,它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ,使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据,从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分,负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部,根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成,每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时,会通过地址总线发送地址 信号,内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元,完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式,即将内存单元按照 一定顺序排列,每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定,地址总线位数越多,可访问的 内存单元数量就越多。

计算机组成原理全套PPT课件

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IC
计算机组成原理
2.运算速度
CPU执行时间:是指CPU计算某个任务所花费的 时间,不包括I/O访问时的等待时间等。
CPU执行时间=CPU时钟周期总数×时钟周期 =指令条数×CPI ×时钟周期
从上面的公式可以看出CPU的性能与计算机 体系的关系: ⑴时钟频率反映了计算机的实现技术和生产工艺. ⑵CPI反映了计算机的实现技术和指令集结构. ⑶IC反映了计算机指令系统的设计和编译技术.
lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2)
1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0000 1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100 1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 1010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100
序→机器语言目标程序。 2.编译程序(Complier):高级语言源程序
→汇编/机器语言目标程序 3.解释程序(Interpreter ):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。
计算机组成原理
2. 计算机的解题过程
计算机组成原理
软 件
硬 件
temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
2.运算速度
时钟周期:又称为节拍周期或T周期,是时钟频率的 倒数。是处理器操作最基本的时间单位。例如,主 频为1GHz的CPU的时钟周期为1ns。
CPI:表示执行每条指令所需要的平均时钟周期数。
CPI=一个程序的CPU时钟周期数÷程序指令数量

计算机组成原理清华1教材

计算机组成原理清华1教材

第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理( Personal Digital Assistant , PDA)是这一代计算机的典型代表




普适计算特殊性主要有: (1)硬件和软件经常是协同设计的; (2)一种重要目标就是将物理世界和信息 世界相互关联; (3)网络基础设施尤其是无线网络技术的 发展为普适计算提供了物质基础; (4)设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 人们周围将有大量功能多样和形态各异的 计算设备。






系列机具有以下特性: 1) 相同的或相似的指令集:多数情况下,系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样,能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下,系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统:产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下,高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度:成员机器从低端到高端,指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数:成员机器从低端到高端,I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量:成员机器从低端到高端,内存容量越 来越大。 6) 成本增加:成员机器从低端到高端,成本越来越高。






摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间,单个芯片的成本几乎没 有变化,这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近,电路长度更短,所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小,更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠,由干芯片 中的电路增加,芯片间的连接变得更少。

计算机组成原理第1章ppt课件

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和电路实现。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数,用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示, 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤,同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现,包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成,每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量,通常以字节(Byte)为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用,如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等,是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件,是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象,包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。

计算机系统结构

计算机系统结构

加速比可以表示如下:
Ws + G(n)Wp S = * = * Ws +Wp / n Ws + G(n)Wp / n
* n * s * p
W +W
其中:
在单个处理机上顺序执行的工作负载与问题的规模 或系统的规模无关,即:
Ws = Ws' = W
* s
而G(n)反映的是存储容量增加n倍时并行工作负载增 加的倍数。
增大问题规模的办法使所有处理机保持忙碌状态,在问题扩大到 与可用的计算能力匹配时,程序中的顺序部分就不再是瓶颈了。 当处理器数目n=1024,加速比Sn随α变化的情况如下:
S1024' = n −α(n −1 =1024 −1023 ) α
Sn’
1100
1050
1024
1000
1014 1004
993 983
W +W s p Sn = W +W / n s p
设串行因子α为串行部分所占的比例。即
W s W p α= 或 −α = 1 W +W s p W +W s p
代入即得Amdahl’law:
W +W s p 1 W +W s p ∴Sn = = W s W /n p α + (1−α) / n + W +W s p W +W s p
2.1.3 三种加速比性能模型
1.固定负载加速比性能模型—Amdahl定律
在许多实时应用领域,计算负载的大小常固 定。在并行机中,此负载可分布至多台并行执行, 获得的加速比称为fixed-load speedup。一个问题的 负载可表示如下: W = Ws + Wp 其中,Ws代表问题中不可并行化的串行部分负载, Wp表示可并行化的部分负载。 则n个节点情况下,加速比可以表示如下:

《计算机组成原理》ppt课件

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VS
挑战
在计算机组成原理的发展过程中,面临着 许多挑战和问题,如处理器的性能和功耗 问题、存储器的速度和容量问题、系统的 可靠性和安全性问题等。这些问题需要不 断研究和探索,以推动计算机组成原理的 持续发展。
THANKS
感谢您的观看
解释定点数与浮点数的表示方法,包括整数和实数的表示。
逻辑代数基础
1 2
逻辑变量与逻辑函数
引入逻辑变量和逻辑函数的概念,为后续的逻辑 运算打下基础。
基本逻辑运算
介绍与、或、非三种基本逻辑运算及其性质。
3
复合逻辑运算
阐述其他复合逻辑运算,如异或、同或等。
逻辑门电路
基本门电路
01
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及实现。
01
03 02
I/O接口的功能和基本结构
数据传输寄存器
命令/状态寄存器
控制逻辑电路
I/O控制方式
优点
控制简单,易于实现
缺点
CPU利用率低,实时性差
I/O控制方式
优点
提高了CPU的利用率,实时性较好
缺点
中断次数多,开销大,数据丢失问题
I/O控制方式
优点
数据传输速度快,CPU干预少
缺点
需要专门的DMA控制器,硬件开销大
指令的执行过程
取指周期
从内存中读取指令,并放入指令 寄存器IR中。
中断周期
在执行过程中,如果出现中断请 求,则进入中断周期,保存现场 信息,并转向中断服务程序。
分析周期
对取回的指令进行分析,确定指 令的操作性质和操作数地址。
执行周期
根据分析结果,执行相应的操作 ,如算术运算、逻辑运算、数据 传输等。

计算机组成原理PPT课件

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图像处理软件
如Photoshop、GIMP等,用于编辑、处理 和美化图像。
游戏软件
提供娱乐和休闲功能,丰富人们的生活。
软件开发与维护
需求分析
对软件的功能需求进行详细分析,确 定软件的目标和功能。
02
设计阶段
根据需求分析结果,设计软件的架构、 模块和接口等。
01
03
编码阶段
根据设计文档,使用编程语言实现软 件的各个模块。
数据运算与逻辑运算
数据运算
加法、减法、乘法、除法等。
逻辑运算
与运算、或运算、非运算等。
运算器
加法器、乘法器、比较器等。
数据存储与访问方式
数据存储
内存、硬盘、闪存等。
访问方式
随机访问、顺序访问等。
存储结构
线性结构、树形结构、图形结构等。
06 计算机系统性能评价
计算机性能指标
运算速度
指计算机完成一项操作所需的时间, 包括CPU运算速度、内存存取速度等。
按用途
通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域
数据处理
企业、政府等组织 的数据存储、分析 和处理。
辅助设计
建筑设计、机械设 计、影视制作等领 域。
科学计算
天气预报、物理模 拟、工程设计等领 域。
自动控制
工业生产、交通管 理、智能家居等领 域。
网络通信
电子邮件、社交媒 体、在线会议等领 域。
02 计算机硬件组成
接口是连接设备与总线的桥梁,常 见的接口包括USB、HDMI等。
03 计算机软件组成
系统软件
操作系统ห้องสมุดไป่ตู้
是计算机系统的基本软件,负责管理计算机的硬件和应用程序,提供 计算机系统的控制、管理、维护等功能。
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Computer Arithmetic
Does not generate random values

Arithmetic operations have important mathematical properties Due to finiteness of representations Integer operations satisfy “ring” properties
– 14 –
Code to Read Counter
/* Record the current value of the cycle counter. */ void start_counter() { access_counter(&cyc_hi, &cyc_lo); } /* Number of cycles since the last call to start_counter. */ double get_counter() { unsigned ncyc_hi, ncyc_lo; unsigned hi, lo, borrow; /* Get cycle counter */ access_counter(&ncyc_hi, &ncyc_lo); /* Do double precision subtraction */ lo = ncyc_lo - cyc_lo; borrow = lo > ncyc_lo; hi = ncyc_hi - cyc_hi - borrow; return (double) hi * (1 << 30) * 4 + lo; }
Yes!
» (1e20 + -1e20) + 3.14 --> 3.14 » 1e20 + (-1e20 + 3.14) --> ??
–4–
Code Security Example
/* Kernel memory region holding user-accessible data */ #define KSIZE 1024 char kbuf[KSIZE]; /* Copy at most maxlenbytes from kernel region to user buffer */ int copy_from_kernel(void *user_dest, int maxlen) { /* Byte count lenis minimum of buffer size and maxlen*/ int len= KSIZE < maxlen? KSIZE : maxlen; memcpy(user_dest, kbuf, len); return len; }
You’ve got to know assembly
Chances are, you’ll never write program in assembly

Great Reality #2
Compilers are much better & more patient than you are
Understanding assembly key to machine-level execution model
Compilers, Operating Systems, Networks, Computer
Architecture, Embedded Systems
–3–
Great Reality #1
Int’s are not Integers, Float’s are not Reals
Examples
Malicious Usage
#define MSize 528 void getstuff(){ char mybuf[MSize]; copy_from_kernel(mybuf, -MSize); }
–7–
–8–
size_t is unsigned int
–9–
Code Security Example
In Internet companies, to save the number of servers used, and improve response time In high frequency trading companies, performance is money

Prepare for later “systems” classes in CS & ECE

Implementing system software
Compiler has machine code as target
Operating systems must manage process state
Use advanced hardware features
– 12 –
Not supported well with programming language and API
Observation


– 11 –
Need to understand which abstractions apply in which contexts Important issues for compiler writers and serious application programmers
In units of clock cycles
Application

double t; start_counter(); P(); t = get_counter(); printf("P required %f clock cycles\n", t);
– 13 –
Code to Read Counter
What happened when we cast an integer to an unsigned integer?
#define MSize 528 void getstuff(){ char mybuf[MSize]; copy_from_kernel(mybuf, -MSize); } – 10 –
Computer Organization/Architecture
Wenguang CHEN cwg@
Course theme
A typical course would teach you how to build a computer

From bits to byte to ALU to CPU With the emphasis on software And interaction between software and hardware

Is x2 ≥ 0?
Float’s:
Yes!
Int’s:
» 40000 * 40000 --> 1600000000 » 50000 * 50000 --> ??

Is (x + y) + z = x + (y + z)?
Unsigned & Signed Int’s:
Float’s:
Assembly Code Example
Special 64-bit register in Intel-compatible machines Incremented every clock cycle Read with rdtsc instruction Measure time required by procedure

Behavior of programs in presence of bugs
High-level language model breaks down

Tuning program performance
Understanding sources of program inefficiency
How can this course help me?
Understand the organization of a computer to

Become more effective programmers
Able to find and eliminate bugs efficiently Able to tune program performance


Write small amount of assembly code using GCC’s asm facility Inserts assembly code into machine code generated by compiler
static unsigned cyc_hi = 0; static unsigned cyc_lo = 0; /* Set *hi and *lo to the high and low order bits of the cycle counter. */ void access_counter(unsigned *hi, unsigned *lo) { asm("rdtsc; movl %%edx,%0; movl %%eax,%1" : "=r" (*hi), "=r" (*lo) : : "%edx", "%eax"); }
/* Kernel memory region holding user-accessible data */ #define KSIZE 1024 char kbuf[KSIZE]; /* Copy at most maxlenbytes from kernel region to user buffer */ int copy_from_kernel(void *user_dest, int maxlen) { /* Byte count lenis minimum of buffer size and maxlen*/ int len= KSIZE < maxlen? KSIZE : maxlen; memcpy(user_dest, kbuf, len); return len; }
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