高等计算机体系结构-课件-Lect1
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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
） 高等计算机体系结构 （Advanced Computer Architecture Architecture）
第一讲 课程介绍
李险峰 (lixianfeng@) 北京大学深圳研究生院
课程教材
主要教材 1. John Hennessy, David Patterson，计算机体系 结构：量化方法研究（英文影印版，第5版），机 械工业出版社，2011年 2. David Patterson, John Hennessy计算机组成与 设计：硬件/软件接口（英文影印版·第4版， ARM版），机械工业出版社，2010年
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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”）
20
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
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。
17
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 )
18
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
19
ENIAC 第一台电子计算机： 第一台电子计算机：ENIAC
除了是IBM第一款采用集成电路技术的计算机之外，S/3பைடு நூலகம்0 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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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。
27
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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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
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 � 作为软件开发人员：软件与硬件密不可分，了解得越多，使 用越有效 � 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-A6? 三星（exynos）、华为 （K3V2） − 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？
5
6
计算机做什么？
Application
?
It concerns the whole computer science, including computer architecture
Physics
7
） 高等计算机体系结构 （Advanced Computer Architecture Architecture）
� 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
22
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”
Core Memory
Operator's console
28
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。
计算机发展历史回顾
计算机发展历史
9
计算机发展历史：“史前”时代
� 无理论基础、机械“计算机”
中国算盘
古希腊历法测算器
10
机械计算机
Pascal's Calculator (1670)
11
机械计算机
Jacquard Loom - the first industrial robot (1801) -- the punched cards used to encode data
12
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
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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
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：
16
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
24
Generations
25
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
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浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述PPT课件
晶体管密度：由于芯片上单位面积晶体管数目由 单个晶体管表面积大小决定，所以晶体管密度 与特征尺寸大小的平方成反比
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
17
1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
10
1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方
1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
14
1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
15
1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
10
1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方
1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
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1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
15
1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
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*/