高等计算机体系结构-课件-Lect1
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计算机体系结构ppt课件
• 中央处理器和主存储器构成了计算机主体， 称为主机；相对地又把I/O设备称作外围设备或 外部设备，简称外设。
• 于是，计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
软件资源的增多， 信息存储问题就十 分突出，促使由一 级存储发展到多级 存储，甚至在主存 储器一级也采用多 存储体交叉访问技 术，出现了以存储 系统为核心的计算 机系统结构。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可 以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件 或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
一、计算机系统的硬件结构
计算机系统包括大型计算机、中小型 计算机、微型计算机等各种不同的硬件结 构，不同种类的计算机硬件结构具有不同 的硬件体系和结构特点，本节简要介绍不 同计算机的硬件结构。
3.1.1 现代计算机结构的特点 3.1.2 计算机硬件的典型结构 3.1.3 微型计算机常见总线标准
3.1.1 现代计算机结构的特点
• 1．总线 • 所谓总线，就是CPU、内存储器和I/O接口之间相互交
换信息的公共通路，各部件通过总线连成一个整体。 所有的外围设备也通过总线与计算机相连。按传送信 息的类别，总线可以分为三种：地址总线（Address Bus 缩写为AB）、数据总线（Data Bus 缩写为DB）和 控制总线（Control Bus 缩写为CB）。地址总线传送存 储器和外围设备的地址，数据总线传送数据，控制总 线则是管理协调各部分的工作,图3-2所示。
• 于是，计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
软件资源的增多， 信息存储问题就十 分突出，促使由一 级存储发展到多级 存储，甚至在主存 储器一级也采用多 存储体交叉访问技 术，出现了以存储 系统为核心的计算 机系统结构。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可 以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件 或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
一、计算机系统的硬件结构
计算机系统包括大型计算机、中小型 计算机、微型计算机等各种不同的硬件结 构，不同种类的计算机硬件结构具有不同 的硬件体系和结构特点，本节简要介绍不 同计算机的硬件结构。
3.1.1 现代计算机结构的特点 3.1.2 计算机硬件的典型结构 3.1.3 微型计算机常见总线标准
3.1.1 现代计算机结构的特点
• 1．总线 • 所谓总线，就是CPU、内存储器和I/O接口之间相互交
换信息的公共通路，各部件通过总线连成一个整体。 所有的外围设备也通过总线与计算机相连。按传送信 息的类别，总线可以分为三种：地址总线（Address Bus 缩写为AB）、数据总线（Data Bus 缩写为DB）和 控制总线（Control Bus 缩写为CB）。地址总线传送存 储器和外围设备的地址，数据总线传送数据，控制总 线则是管理协调各部分的工作,图3-2所示。
计算机体系结构完整讲义ppt课件
• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
30
二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
4
1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
1
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
计算机系统结构课件
浮点数据就是高级语言课程中所说的“实型数”。
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
计算机系统组成完整版PPT课件
功能
计算机系统具有数据处理、信息存 储、通信和控制等功能，广泛应用 于各个领域。
计算机系统发展历程
第一代计算机（1940s-1950s）
采用电子管作为基本元件，体积庞大且效率低下。
第二代计算机（1950s-1960s）
采用晶体管作为基本元件，提高了运算速度和可靠性。
第三代计算机（1960s-1970s）
计算机系统组成完整版PPT课件
目录
• 计算机系统概述 • 计算机硬件系统 • 计算机软件系统 • 计算机系统结构 • 计算机系统性能指标与评价 • 计算机系统选购与维护 • 计算机系统安全与防护 • 总结与展望
01
计算机系统概述
计算机系统定义与功能
定义
计算机系统是由硬件、软件和数据 等要素组成，能够执行特定功能或 任务的综合体。
密性和完整性。常见的加密技术包括对称加密、非对称加密和混合加密。
02
身份认证
验证用户身份的过程，以确保只有合法用户能够访问系统资源。常见的
身份认证方法包括用户名/密码、数字证书、生物特征识别等。
03
访问控制
根据用户的身份和权限，限制其对系统资源的访问和操作，防止未经授
权的访问和数据泄露。
防火墙与入侵检测
02
计算机硬件系统
详细讲解了计算机硬件系统的组成， 包括中央处理器、存储器、输入输
出设备等。
04
计算机系统性能指标
介绍了计算机系统性能指标的评价 标准，如CPU速度、内存容量、硬
盘容量等。
技术发展趋势
人工智能与机器学习
随着人工智能和机器学习技术的不断发展，计算机系统将 更加智能化，能够自主学习和优化。
CPU的性能指标
02
计算机系统具有数据处理、信息存 储、通信和控制等功能，广泛应用 于各个领域。
计算机系统发展历程
第一代计算机（1940s-1950s）
采用电子管作为基本元件，体积庞大且效率低下。
第二代计算机（1950s-1960s）
采用晶体管作为基本元件，提高了运算速度和可靠性。
第三代计算机（1960s-1970s）
计算机系统组成完整版PPT课件
目录
• 计算机系统概述 • 计算机硬件系统 • 计算机软件系统 • 计算机系统结构 • 计算机系统性能指标与评价 • 计算机系统选购与维护 • 计算机系统安全与防护 • 总结与展望
01
计算机系统概述
计算机系统定义与功能
定义
计算机系统是由硬件、软件和数据 等要素组成，能够执行特定功能或 任务的综合体。
密性和完整性。常见的加密技术包括对称加密、非对称加密和混合加密。
02
身份认证
验证用户身份的过程，以确保只有合法用户能够访问系统资源。常见的
身份认证方法包括用户名/密码、数字证书、生物特征识别等。
03
访问控制
根据用户的身份和权限，限制其对系统资源的访问和操作，防止未经授
权的访问和数据泄露。
防火墙与入侵检测
02
计算机硬件系统
详细讲解了计算机硬件系统的组成， 包括中央处理器、存储器、输入输
出设备等。
04
计算机系统性能指标
介绍了计算机系统性能指标的评价 标准，如CPU速度、内存容量、硬
盘容量等。
技术发展趋势
人工智能与机器学习
随着人工智能和机器学习技术的不断发展，计算机系统将 更加智能化，能够自主学习和优化。
CPU的性能指标
02
lect1
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 4
教学方法
本课程内容带有一定的抽象性， 要求学生适应计算机解题的思维方 式。 因此，为保证教学效果，课堂 授课采取理论教学与实践编程相结 合的方式。
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 5
上机实践 学生在上机实践前，应事先 将程序、调试数据、上机操作顺 序准备好。 目的是提高上机的效率和成 功率，严禁抄袭或拷贝他人的成 果，自觉培养科学、严谨的作风。
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 27
100
例：将求∑ n的算法用流程图表示
n =1
N Y
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 28
算法三： 聪明人的方法” 算法三：“聪明人的方法”
s = 1 + 2 + 3 + … … + 100 = 100+（1 + 99）+（2 + 98）+ … … + （49 + 51）+ 50 = 50 * 100 + 50 = 5050
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 6
C语言的学习方法 语言的学习方法
上课认真听讲 课后进行复习 多做练习 上机编程实践
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 7
课程安排
•理论课时：40 •实践课时：16
2011-02-23
王茂才 中国地质大学计算机学院
8
教材
《C程序设计》 谭浩强 清华大学出版社
说明： main-主函数名， void-函数类型 说明：
/*文件包含*/ /*主函数 */ /*函数体开始*/ /*输出语句*/ /*函数体结束*/
教学方法
本课程内容带有一定的抽象性， 要求学生适应计算机解题的思维方 式。 因此，为保证教学效果，课堂 授课采取理论教学与实践编程相结 合的方式。
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 5
上机实践 学生在上机实践前，应事先 将程序、调试数据、上机操作顺 序准备好。 目的是提高上机的效率和成 功率，严禁抄袭或拷贝他人的成 果，自觉培养科学、严谨的作风。
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 27
100
例：将求∑ n的算法用流程图表示
n =1
N Y
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 28
算法三： 聪明人的方法” 算法三：“聪明人的方法”
s = 1 + 2 + 3 + … … + 100 = 100+（1 + 99）+（2 + 98）+ … … + （49 + 51）+ 50 = 50 * 100 + 50 = 5050
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 6
C语言的学习方法 语言的学习方法
上课认真听讲 课后进行复习 多做练习 上机编程实践
2011-02-23 王茂才 中国地质大学计算机学院 7
课程安排
•理论课时：40 •实践课时：16
2011-02-23
王茂才 中国地质大学计算机学院
8
教材
《C程序设计》 谭浩强 清华大学出版社
说明： main-主函数名， void-函数类型 说明：
/*文件包含*/ /*主函数 */ /*函数体开始*/ /*输出语句*/ /*函数体结束*/
计算机体系结构课件
详细描述
输入输出系统是计算机中用于接收外部输入（如键盘、鼠标、传感器等）和输 出数据（如显示器、打印机、音响等）的硬件设备。输入输出系统的性能和可 靠性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
总线与接口
总结词
总线与接口是计算机中用于连接各个部件并进行通信的通道。
详细描述
总线与接口是计算机中各个部件之间进行通信的通道。总线是连接各个部件的公共通道，而接口则是 连接外部设备和计算机的通道。通过总线与接口，各个部件之间可以相互通信并协同工作，实现计算 机的整体功能。总线与接口的性能和稳定性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
长电池寿命。
扩展功能
03
通过增加输入输出接口、支持多种数据类型等，可以扩展计算
机的功能和应用范围。
计算机体系结构的分类
1 2
按指令集分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
按数据类型分类
可以分为固定长度数据和可变长度数据。
3
按寻址方式分类
可以分为直接寻址、间接寻址和基址加变址寻址 等。
03
计算机指令系统
指令集架构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
复杂指令集架构 (CISC)
提供了许多复杂的指令，能够执行各种高级操作。
精简指令集架构 (RISC)
只包含简单的、基本的指令，强调通过并行处理加快执行速度。
超长指令集架构 (VLIW)
通过将多个操作数和操作码放入一个指令，实现并行处理。
指令格式与寻址方式
固定长度的指令格式
可重构计算面临着能效、可扩展性、编程模型等方面的挑 战，如何设计更高效的
THANKS
感谢观看
详细描述
存储器是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。根据存储速度、容量和价格的不同，计算机中存在多种类型 的存储器，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、高速缓存（Cache）等。存储器的容量和速度 对计算机的性能有很大的影响。
输入输出系统是计算机中用于接收外部输入（如键盘、鼠标、传感器等）和输 出数据（如显示器、打印机、音响等）的硬件设备。输入输出系统的性能和可 靠性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
总线与接口
总结词
总线与接口是计算机中用于连接各个部件并进行通信的通道。
详细描述
总线与接口是计算机中各个部件之间进行通信的通道。总线是连接各个部件的公共通道，而接口则是 连接外部设备和计算机的通道。通过总线与接口，各个部件之间可以相互通信并协同工作，实现计算 机的整体功能。总线与接口的性能和稳定性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
长电池寿命。
扩展功能
03
通过增加输入输出接口、支持多种数据类型等，可以扩展计算
机的功能和应用范围。
计算机体系结构的分类
1 2
按指令集分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
按数据类型分类
可以分为固定长度数据和可变长度数据。
3
按寻址方式分类
可以分为直接寻址、间接寻址和基址加变址寻址 等。
03
计算机指令系统
指令集架构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
复杂指令集架构 (CISC)
提供了许多复杂的指令，能够执行各种高级操作。
精简指令集架构 (RISC)
只包含简单的、基本的指令，强调通过并行处理加快执行速度。
超长指令集架构 (VLIW)
通过将多个操作数和操作码放入一个指令，实现并行处理。
指令格式与寻址方式
固定长度的指令格式
可重构计算面临着能效、可扩展性、编程模型等方面的挑 战，如何设计更高效的
THANKS
感谢观看
详细描述
存储器是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。根据存储速度、容量和价格的不同，计算机中存在多种类型 的存储器，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、高速缓存（Cache）等。存储器的容量和速度 对计算机的性能有很大的影响。
最新课件计算机体系结构
三、应记住的一些的概念 1. 什么是动态测量与静态测量? 2. 什么是CISC计算机与RISC计算机? 3. 什么是软件危机? 4. 什么是“Simple is fast”和“Small is fast ” ?
第3章 CPU的设计
1. 引言
2. 数据通路
3. 指令执行原理
4. 控制器 5. 中断
控制器设计
本章要点：介绍计算机设计者的任务、计算机 性能评价和计算机成本的构成。
第 六 讲（4周）
一、知识点 1. 指令系统的测量方法 2. RISC的设计思想
2006年Leabharlann 月26日二、重点与难点 1. 了解测量的作用、测量项目、测量方法和测量举例。 2. 理解RISC设计的起源、RISC设计的原则。
课件计算机体系结构
第1章 计算机设计基础
一个计算机设计者首先应该知道：设计一台计算机应经过哪几个过程，首先 应做什么工作，一台计算机应有怎样的功能，如何评价这些功能，以及一台计算 机的成本构成。
1. 计算机设计者的任务 2. 计算机性能评价 3. 构成计算机的成本组合 4. 用系统结构知识选购计算机
2. 控制冲突的硬件预测 转移预测器思想的引入与两位转移预测方案的优先状态图
三、应记住的一些的概念
1. 什么是流水线静态调度与流水线动态调度?
2. 什么是乱序发射? 3. 什么是记分牌？ 4. 什么是窗口、逆相关、输出相关与名称相关？ 5. 什么是转移预测缓冲器？
第 十三 讲（10周）
2006年11月7日
三、应记住的一些的概念 1. 什么是CPU的CPI与时钟频率? 2. 什么是数据通路及控制器? 3. 什么是控存？
第 八 讲（7周）
2006年10月17日
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20
EDVAC
�EDVAC使用约6000个真空管和12000个二极管， 占地45.5平方米，重7850千克，消耗电力56千瓦 �物理上包括：
− 一个磁带记录仪 − 一个连接示波器的控制单元 − 一个分发单元，用于从控制器和内存接受指令，并分发 到其他单元 − 一个运算单元 − 一个定时器 − 使用汞延迟线的存储器单元
12
电气计算机
Harvard Mark I - The first modern digital computer (1942)
Developed by Howard H. Aiken, built at IBM and shipped to Harvard in February 1944. The machine was directly inspired by Babbage's Analytical Engine
25
IBM701
� 1952年，IBM公司推出了它的第一台机器-----IBM701， 在这台机器中使用了威廉管(William’stube)存储器。这种 机器一共生产了19套; 租金为$15,000/月。
26
IBM704
� 1955年，IBM704投入市场；在这台机器中首次使用了变 址寄存器，从而以一种更合理的方式实现了动态修改指令 地址部分所要完成的功能。并且在这台机器上首次出现了 操作系统的原始模型--控制程序
32
DEC PDP-1 ：第一台有“面孔”的计算机 PDP-1：第一台有
� PDP-1（Programmed Data Processor，程序数字处理机），在 1960年由计算机天才、数字设备公司 （DEC）创建者肯.奥尔森（K. Olsen） 设计 � DEC在计算机小型化方面做出了卓越贡 献，其PDP系列被称为小型机，成千上 万家企业、学校和科研部门转而购买他 们可以支付得起的PDP系列小型计算机 � PDP-1第一次为计算机输出引入了“面 孔”--电子屏幕（之前都是卡片和纸 带），世界上第一款电脑游戏“太空大 战”，就是在PDP-1上开发的
Core Memory
Operator's console
27
IBM650
IBM 650：存储介质的重大革命： 采用磁鼓（magnetic drum）作 为存储介质，是第一款大规模生 产和销售的电子计算机（每年销 售450台）。该磁鼓转速为 12,500 rpm，这种磁介质使得相 比以往的计算机，无论数据容量 还是数据访问速度都得到极大改 善。
2
教学安排
�教学方式：课堂讲授 ，16 * 3 = 48课时 �先修要求： 计算机组成原理 （计算机组织与结构） �考核方法
− 作业（3次）：30% − 实验/研究报告（2次）：30% − 期末考试（开卷）：40%
3
教学内容
本课程系统讲授现代微处理器及计算机系统设计的 主要技术方法，内容贯穿指令系统设计、指令级并 行技术（流水线技术、超标量技术、推测式执行技 术、VLIW技术）、访存性能加速技术、线程级并 行技术与多处理器设计技术、计算机性能评测方法、 嵌入式处理器与系统芯片设计技术
23
Generations
24
UNIVAC
� UNIVAC（Universal Automatic Computer） 世界上第一台成功商业化 的计算机 � 1951年6月，EckertMauchly计算机公司开始 交付UNIVAC I机器，售价 为250,000美元，共生产了 48套，从而使之成为第一 台成功的商业化计算机
19
EDVAC
�Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC)，1948年交付使用；和 ENIAC一样，EDVAC也是为美国陆军阿伯丁试验 场的弹道研究实验室研制 �EDVAC采用二进制，而且是一台冯·诺伊曼结构 的计算机 �ENIAC和EDVAC的建造者均为宾夕法尼亚大学的 电气工程师John Mauchly和Presper Eckert， 冯·诺伊曼以技术顾问形式加入，总结和详细说明 了EDVAC的逻辑设计
28
1950-59 Vacuum Tubes 这个时期的机器主要利用电子管 来实现。一般主存用静电管和延迟线， 辅存用纸带、穿孔卡和延迟线。由于硬 件的昂贵，这一时期的机器大都采用基 于累加器的结构，而且仅能实现极少一 些必须的机器指令，大多数机器的设计 目的主要是用于进一步研究。
29
1960-68 Discrete Transistor
16
2.
3.
4.
现代计算机理论
1945 ） 存储程序型计算机（ 存储程序型计算机（1945 1945）
所有现代计算机都是存储程序型计算机
现代计算机之父 冯 . 诺依曼 (John von Neumann )
17
冯.诺依曼结构
� 存储程序结构：计算机的五个组成部分 � 二进制计算
18
ENIAC 第一台电子计算机： 第一台电子计算机：ENIAC
4
为什么学习本课程？
� 因为每一位计算机专业人员都应该了解计算机内部机理 � 作 � 作为系统设计师：硬件发展趋势决定软件与应用设计
− 高清视频应该用纯软件实现还是采用硬件加速？ − 如何选择系统的实现方式，如何优化系统性能与功耗 − iPhone为什么出现在2007年而不是10年前? − 苹果为什么要开发自己的处理器A4/A5? − Google为什么要收购摩托罗拉移动？ − 微软为什么要成立Computer Architecture Lab和获得ARM指令系 统授权？
13
计算机发展历史：现代计算机
�理论基础
− 图灵机 − 存储程序理论
�物质基础
− 电子元器件 − 晶体管 − 集成电路
14
现代计算机理论
1936 ） 图灵机模型（ 图灵机模型（1936 1936） � 基本思想：用机器来模拟人们 用纸笔进行数学运算的过程：
− − 在纸上写上或擦除某个符号 从纸的一个位置移动到另一个位置
� 1946年，世界上第一台电子 计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）在美国宾夕法 尼亚大学诞生 � 使用了18800个真空管，占 地150平方米，重30吨，每 秒可从事5000次的加法运算 � 非严格意义的存储程序结构
− 10进制运算 − “编程”：设置开关和手工插 拔线缆
21
EDVAC
�EDVAC的硬件不断升级， 1953年添加穿孔卡片输入 输出 �1954年添加磁鼓内存 �1958年添加浮点运算单元 �到1960年，EDVAC每天运 行超过20小时，平均8小时 无差错时间
22
计算机的飞速发展
远超过了人们的想象力
Thirty years later Bill Gates' vision of ” “a computer on every desktop desktop”
除了是IBM第一款采用集成电路技术的计算机之外，S/360 还在计算机体系结构上有重要创新
− 首次明确区分了architecture和implementation，使得S/360具有 极佳的伸缩性，可覆盖从小型到大规模的所有场合 − 保持了指令系统ISA兼容性，使得过去的应用程序可以在新的 model中运行 − 微程序技术、通道技术、高速缓存技术、流水线技术、奇偶校验、 冗余技术，操作系统、高级语言编程 − 计算机设计中著名的Amdahl法则（以S/360首席设计师名字命名）
30
：第一台晶体管计算机 TRADIC TRADIC：第一台晶体管计算机
TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer) ，由贝尔 实验室在1954年使用800只晶体管组装了世界上第一 台晶体管计算机 --- 不再是使用电子管的庞然大物
31
IBM7090
第一台商用化的全晶体管计算机，由IBM在1959 年制造并推向市场
33
1969-77 ICs
� 集成电路（Integrated Circuits, IC)由德州仪器的基尔比（Kilby） 和仙童公司的诺伊斯(Noyce)在 1958-1959年间独立发明，其中 基尔比拥有集成电路发明专利， 而有关集成电路的内部连接技术 专利权属于诺伊斯。
� 从此，计算机进入了长达40多 年的高速发展时期（遵循着英 特尔公司董事长戈登.摩尔在 1964年提出的“摩尔定律”）
11
机械计算机
Charles Babbage's Difference Engines (circa 1830)
A mechanical computer much more complex than any made before Code creation and code breaking formed a major part of the drive to automate computing in the 19th and 20th centuries
计算机科学之父： 阿兰 . 图灵 (Alan Turing)
� 为了模拟人的这种运算过程， 图灵构造出一台假想的机器， 该机器由以下几个部分组成：
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Turing Machine ） 图灵机（ 图灵机（Turing Machine）
1. 一条无限长的纸带 TAPE。被划分为 一个接一个b编号的小格子 一个读写头 HEAD。可在纸带上左右 移动，并读出当前格子上的符号，并 能改变它 一套控制规则 TABLE。根据当前机器 状态及读写头所指格子上的符号确定 读写头下一步动作，并改变状态寄存 器的值，令机器进入一个新状态。 一个状态寄存器。它用来保存图灵机 当前所处的状态。图灵机所有可能状 态的数目是有限的，并且有一个特殊 的状态，称为停机状态
1947.11.17 – 1947.12.23， 贝尔实验室的John Bardeen、 Walter Brattain 和William Shockley发明了一种成为 Transistor（晶体管）的半导 体器件 该器件的特性可以很好的代表 冯诺依曼计算机模型中的二进 制，而且无论在体积、耗电量 以及稳定性上，都具有 vacuum无可比拟的优势。从 此，构成现代计算机的“细胞” 得以确立。
EDVAC
�EDVAC使用约6000个真空管和12000个二极管， 占地45.5平方米，重7850千克，消耗电力56千瓦 �物理上包括：
− 一个磁带记录仪 − 一个连接示波器的控制单元 − 一个分发单元，用于从控制器和内存接受指令，并分发 到其他单元 − 一个运算单元 − 一个定时器 − 使用汞延迟线的存储器单元
12
电气计算机
Harvard Mark I - The first modern digital computer (1942)
Developed by Howard H. Aiken, built at IBM and shipped to Harvard in February 1944. The machine was directly inspired by Babbage's Analytical Engine
25
IBM701
� 1952年，IBM公司推出了它的第一台机器-----IBM701， 在这台机器中使用了威廉管(William’stube)存储器。这种 机器一共生产了19套; 租金为$15,000/月。
26
IBM704
� 1955年，IBM704投入市场；在这台机器中首次使用了变 址寄存器，从而以一种更合理的方式实现了动态修改指令 地址部分所要完成的功能。并且在这台机器上首次出现了 操作系统的原始模型--控制程序
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DEC PDP-1 ：第一台有“面孔”的计算机 PDP-1：第一台有
� PDP-1（Programmed Data Processor，程序数字处理机），在 1960年由计算机天才、数字设备公司 （DEC）创建者肯.奥尔森（K. Olsen） 设计 � DEC在计算机小型化方面做出了卓越贡 献，其PDP系列被称为小型机，成千上 万家企业、学校和科研部门转而购买他 们可以支付得起的PDP系列小型计算机 � PDP-1第一次为计算机输出引入了“面 孔”--电子屏幕（之前都是卡片和纸 带），世界上第一款电脑游戏“太空大 战”，就是在PDP-1上开发的
Core Memory
Operator's console
27
IBM650
IBM 650：存储介质的重大革命： 采用磁鼓（magnetic drum）作 为存储介质，是第一款大规模生 产和销售的电子计算机（每年销 售450台）。该磁鼓转速为 12,500 rpm，这种磁介质使得相 比以往的计算机，无论数据容量 还是数据访问速度都得到极大改 善。
2
教学安排
�教学方式：课堂讲授 ，16 * 3 = 48课时 �先修要求： 计算机组成原理 （计算机组织与结构） �考核方法
− 作业（3次）：30% − 实验/研究报告（2次）：30% − 期末考试（开卷）：40%
3
教学内容
本课程系统讲授现代微处理器及计算机系统设计的 主要技术方法，内容贯穿指令系统设计、指令级并 行技术（流水线技术、超标量技术、推测式执行技 术、VLIW技术）、访存性能加速技术、线程级并 行技术与多处理器设计技术、计算机性能评测方法、 嵌入式处理器与系统芯片设计技术
23
Generations
24
UNIVAC
� UNIVAC（Universal Automatic Computer） 世界上第一台成功商业化 的计算机 � 1951年6月，EckertMauchly计算机公司开始 交付UNIVAC I机器，售价 为250,000美元，共生产了 48套，从而使之成为第一 台成功的商业化计算机
19
EDVAC
�Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC)，1948年交付使用；和 ENIAC一样，EDVAC也是为美国陆军阿伯丁试验 场的弹道研究实验室研制 �EDVAC采用二进制，而且是一台冯·诺伊曼结构 的计算机 �ENIAC和EDVAC的建造者均为宾夕法尼亚大学的 电气工程师John Mauchly和Presper Eckert， 冯·诺伊曼以技术顾问形式加入，总结和详细说明 了EDVAC的逻辑设计
28
1950-59 Vacuum Tubes 这个时期的机器主要利用电子管 来实现。一般主存用静电管和延迟线， 辅存用纸带、穿孔卡和延迟线。由于硬 件的昂贵，这一时期的机器大都采用基 于累加器的结构，而且仅能实现极少一 些必须的机器指令，大多数机器的设计 目的主要是用于进一步研究。
29
1960-68 Discrete Transistor
16
2.
3.
4.
现代计算机理论
1945 ） 存储程序型计算机（ 存储程序型计算机（1945 1945）
所有现代计算机都是存储程序型计算机
现代计算机之父 冯 . 诺依曼 (John von Neumann )
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冯.诺依曼结构
� 存储程序结构：计算机的五个组成部分 � 二进制计算
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ENIAC 第一台电子计算机： 第一台电子计算机：ENIAC
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为什么学习本课程？
� 因为每一位计算机专业人员都应该了解计算机内部机理 � 作 � 作为系统设计师：硬件发展趋势决定软件与应用设计
− 高清视频应该用纯软件实现还是采用硬件加速？ − 如何选择系统的实现方式，如何优化系统性能与功耗 − iPhone为什么出现在2007年而不是10年前? − 苹果为什么要开发自己的处理器A4/A5? − Google为什么要收购摩托罗拉移动？ − 微软为什么要成立Computer Architecture Lab和获得ARM指令系 统授权？
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计算机发展历史：现代计算机
�理论基础
− 图灵机 − 存储程序理论
�物质基础
− 电子元器件 − 晶体管 − 集成电路
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现代计算机理论
1936 ） 图灵机模型（ 图灵机模型（1936 1936） � 基本思想：用机器来模拟人们 用纸笔进行数学运算的过程：
− − 在纸上写上或擦除某个符号 从纸的一个位置移动到另一个位置
� 1946年，世界上第一台电子 计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）在美国宾夕法 尼亚大学诞生 � 使用了18800个真空管，占 地150平方米，重30吨，每 秒可从事5000次的加法运算 � 非严格意义的存储程序结构
− 10进制运算 − “编程”：设置开关和手工插 拔线缆
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EDVAC
�EDVAC的硬件不断升级， 1953年添加穿孔卡片输入 输出 �1954年添加磁鼓内存 �1958年添加浮点运算单元 �到1960年，EDVAC每天运 行超过20小时，平均8小时 无差错时间
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计算机的飞速发展
远超过了人们的想象力
Thirty years later Bill Gates' vision of ” “a computer on every desktop desktop”
除了是IBM第一款采用集成电路技术的计算机之外，S/360 还在计算机体系结构上有重要创新
− 首次明确区分了architecture和implementation，使得S/360具有 极佳的伸缩性，可覆盖从小型到大规模的所有场合 − 保持了指令系统ISA兼容性，使得过去的应用程序可以在新的 model中运行 − 微程序技术、通道技术、高速缓存技术、流水线技术、奇偶校验、 冗余技术，操作系统、高级语言编程 − 计算机设计中著名的Amdahl法则（以S/360首席设计师名字命名）
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：第一台晶体管计算机 TRADIC TRADIC：第一台晶体管计算机
TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer) ，由贝尔 实验室在1954年使用800只晶体管组装了世界上第一 台晶体管计算机 --- 不再是使用电子管的庞然大物
31
IBM7090
第一台商用化的全晶体管计算机，由IBM在1959 年制造并推向市场
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1969-77 ICs
� 集成电路（Integrated Circuits, IC)由德州仪器的基尔比（Kilby） 和仙童公司的诺伊斯(Noyce)在 1958-1959年间独立发明，其中 基尔比拥有集成电路发明专利， 而有关集成电路的内部连接技术 专利权属于诺伊斯。
� 从此，计算机进入了长达40多 年的高速发展时期（遵循着英 特尔公司董事长戈登.摩尔在 1964年提出的“摩尔定律”）
11
机械计算机
Charles Babbage's Difference Engines (circa 1830)
A mechanical computer much more complex than any made before Code creation and code breaking formed a major part of the drive to automate computing in the 19th and 20th centuries
计算机科学之父： 阿兰 . 图灵 (Alan Turing)
� 为了模拟人的这种运算过程， 图灵构造出一台假想的机器， 该机器由以下几个部分组成：
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Turing Machine ） 图灵机（ 图灵机（Turing Machine）
1. 一条无限长的纸带 TAPE。被划分为 一个接一个b编号的小格子 一个读写头 HEAD。可在纸带上左右 移动，并读出当前格子上的符号，并 能改变它 一套控制规则 TABLE。根据当前机器 状态及读写头所指格子上的符号确定 读写头下一步动作，并改变状态寄存 器的值，令机器进入一个新状态。 一个状态寄存器。它用来保存图灵机 当前所处的状态。图灵机所有可能状 态的数目是有限的，并且有一个特殊 的状态，称为停机状态
1947.11.17 – 1947.12.23， 贝尔实验室的John Bardeen、 Walter Brattain 和William Shockley发明了一种成为 Transistor（晶体管）的半导 体器件 该器件的特性可以很好的代表 冯诺依曼计算机模型中的二进 制，而且无论在体积、耗电量 以及稳定性上，都具有 vacuum无可比拟的优势。从 此，构成现代计算机的“细胞” 得以确立。