計算機組成原理,第一單元第一講學習目的和方法計算機發展簡史,2,計算機組成原理,學分：4學時：64+32先修課程：數字邏輯、高級語言程序設計后續課程：操作系統、系統結構、編譯原理、計算機網絡,3,學習目的,了解計算機的組成五大組成部件掌握計算機的運行原理計算機為什么能執行高級語言程序了解現代計算機中的一些核心技術流水、Cache、并行培養設計計算機的技能提高編程能力成為計算機科學家、計算機專家,4,主要教學內容,計算機的層次結構運算器的功能、組成和基本運行原理控制器的功能、組成和運行原理存儲器及層次存儲器系統輸入/輸出設備和總線,5,學習目標,掌握單CPU計算機的完整硬件組成基本運行原理內部運行機制了解計算機系統的最新發展達到能獨立設計一臺完整計算機的水平知識和能力兩方面都提高,6,教學環節和學習方法,課堂講授閱讀參考資料思考習題完成實驗及報告討論和總結考試,博學審問慎思明辨篤行,7,考評辦法,習題和作業作業缺交2次（含），作業成績為0發現抄襲現象，作業成績為0。若作業成績為0，則考試無效。作業要求上交手寫版，不接受電子版和打印版實驗和報告實驗報告可按照要求，提交電子版考試總成績評定If考試成績=全年級考試成績的平均值/2Then總評成績=考試成績*40%+Project成績*50%+作業成績*10%Else總評成績=考試成績,8,Project評分標準,自由組合、原則上按組給成績達到基本要求，成績為80分獨立實現全部規定指令及指定的擴展指令（微程序和組合邏輯兩種控制器）獨立完成實驗報告鼓勵在任何方面，尤其是硬件方面的擴展（最多20分）中斷、I/O等監控程序修改、完善任何其他有特色的創新課堂交流,9,教材和參考書,教材計算機組成與設計王誠著清華大學出版社計算機組成與設計實驗指導(第2版)王誠著清華大學出版社參考書目計算機組成與結構劉衛東編機械工業出版社計算機組成結構化方法劉衛東宋佳興徐恪譯人民郵電出版社ComputerOrganizationvk=vk+1;vk+1=temp;,lw$to,0($2)lw$t1,4($2)sw$t1,0($2)sw$t0,4($2),00001001110001101010111101011000101011110101100000001001110001101100011010101111010110000000100101011000000010011100011010101111,計算機組成,23,ASix-LevelComputer,24,MultilevelMachine,25,EvolutionofMultilevelMachines,BarehardwareMicroprogrammingOperatingsystemCompilersHardware/softwareinterfaceSimpleISACISCRISC,26,ComputerGenerations,Gen-0:Mechanicalcomputers(BCtoearly1940s)Gen-1:VacuumTubes(1943-1959)Gen-2:Transistors(1960-1968)JohnBardeen,WalterBrattain,andWilliamShockleyGen-3:IntegratedCircuits(1969-1977)JackKilby(1958)Gen-4:VLSI(1978-present)Gen-5:Optical?Quantum?生物？,27,古代及近代計算技術,公元前500年，中國出現算盤,1642年，BlaisePascal發明自動進位的加法機器，齒輪驅動撥盤，在窗口顯示結果,1822年，CharlesBabbage，微分機（DifferentialEngie）,1833年，分析機（AnalyticalEngine），通用機器,16世紀，Alkhowarizmi提出算法概念，并出版以算法（Algorithm）為題的書籍,AdaAugustaLovelace，第一位程序員,28,圖靈機,1937年，AlanTuring提出一種“通用”計算機的概念，它可以執行任何一個描述好的程序（算法），實現需要的功能，形成了“可計算性”概念的基礎。存儲程序的思想，使計算機從專用走向通用。正是這一創新，開創了計算機的新時代。50年代，Turing提出了“智能”計算機的概念。Turing測試,29,圖靈機（TuringMachine),確定型圖靈機*有窮符號集P*有窮狀態集Q*轉移函數F：Q。PQ。P。-1，+1通用機(UniversalMachine)概念,有限狀態控制器,P,讀寫頭,帶,-4-3-2-10+1,Q,30,Turing機特點,通用計算機：并不是保存所有問題的結果。存儲程序計算機：問題的求解由程序或過程給出，程序和過程可以通過語言描述。有限速度：計算機執行程序的時間是有限的。有限空間：計算機程序的存放空間和數據存放空間也是有限的。是現代計算機的鼻祖。,31,VannevarBush:Memex,保存有10億本圖書的書柜可按照人們的需要，對圖書進行照相甚至可以記錄人們的聲音保存并共享人類歷史上的知識Web之父,32,現代計算機的里程碑,33,第一臺通用電子計算機ENIAC,ElectronicNumericalandIntegrateCalculator,MauchlyandEckert設計1946年2月14日第一臺通用電子計算機，設計用于計算火炮的彈道重30噸，占地15000平方英尺，18000個電子管，耗電140KW,運算速度：5000次加法/秒使用十進制數20個寄存器，每個存放10位的十進制數通過設置6000個開關和其它眾多的插頭和插座來編程,34,VonNeumann機IAS,現代計算機結構的鼻祖：五大功能部件將程序和數據統一表示：存儲器有4096個字，每個字40位。采用二進制數據：簡化了存儲器只提供整數運算：任何有能力的數學家都能在頭腦中記住小數點的位置。,35,第一臺小型計算機：PDP-1,1957年由DEC公司生產第二代計算機（晶體管）18位字長，4K內存，機器周期為5微秒售價120000美元。售出50臺。開創了計算機產業！,36,第一個系列計算機：IBM360,第三代計算機計算機應用：科學計算和商務處理如何在不同的硬件平臺上運行相同的軟件？系列計算機：IBM360計算機系統結構：程序員眼中的計算機。具有相同系統結構的計算機可以運行相同的程序。微程序控制器,37,應用的普及：IBMPC機,38,RISC計算機,精簡指令系統計算機指令系統盡量簡單，復雜指令通過簡單指令的組合來完成提高計算機的運行速度,39,下一代計算機,Babbage：更快、更高、更強Turing：智能計算機Bush：信息網格？,40,小結,學習方法博學審問慎思明辨篤行計算機組成原理單臺計算機完整的硬件系統的基本原理與內部運行機制計算機的層次結構理解計算機系統和結構的鑰匙計算機的發展歷史以史為鑒，可知興替，可明得失。,41,課程信息,用FPGA實現帶指令流水的教學計算機5到6名同學，可頂替大實