計算機組成原理 - 第一講

1、計算機組成原理計算機組成原理 舒燕君舒燕君 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院 指導教師指導教師 舒燕君舒燕君 博士博士 、講師、講師 研究方向：研究方向： 云計算系統(tǒng)服務質(zhì)量評測云計算系統(tǒng)服務質(zhì)量評測 高端容錯計算機系統(tǒng)高端容錯計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)容錯性能評測工具系統(tǒng)容錯性能評測工具 軟件可靠性評估軟件可靠性評估 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：QQ: 6016511 辦公室辦公室地址：綜合實驗樓地址：綜合實驗樓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：開源軟件可靠性模型研究方向：開源軟件可靠性模型研究 負責負責課程內(nèi)容答疑、隨堂課程內(nèi)容答疑、隨堂測試、作業(yè)的批改測試、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 負責自主實驗答疑負責自主實驗答疑 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 基本部件的結構和組織方式基本部件的結構和組織方式 基本運算的操作原理基本運算的操作原理 基本部件和單元的設計思想基本部件和單元的設計思想 特色特色 計算機組成的一般原理，不以具體機型為依托計算機組成的一般原理，不以具體機型為依托 采用自頂向下的方式、層層細化采用自頂向下的方式、層層細化 教材教材 唐朔飛唐朔飛. 計算機組成原理（第計算機組成原理（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 計算機基礎計算機基礎 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 編譯技術編譯技術 數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)結構 應用基礎應用基礎 C語言編程語言編程 存儲管理存儲管理 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 計算機體系計算機體系 結構結構 基本邏輯單元基本邏輯單元 處理器基本知識處理器基本知識 數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯 計算機組成計算機組成 原理原理 如何實現(xiàn)如何實現(xiàn) 具體細節(jié)具體細節(jié) 知其然知其然 1.分析評測分析評測 知其所以然知其所以然 2.并行計算機系并行計算機系 統(tǒng)結構入門統(tǒng)結構入門 教學模式：采用理論和實踐相結合的方法進行教學教學模式：采用理論和實踐相結合的方法進行教學 5252學時課堂教學學時課堂教學 1212學時上機實驗學時上機實驗 課程的考核課程的考核 期末考試期末考試 60%60% 上機實驗上機實驗 20%20% 隨堂測試和作業(yè)隨堂測試和作業(yè)10%10% 自主實驗自主實驗 1

5、0%10% 答疑安排：答疑安排： 加入加入QQ QQ 群（群號：群（群號：115718359115718359），推薦?。扑]！ 每周五下午每周五下午2 2點半點半-5-5點，綜合樓點，綜合樓510510 考核安排考核安排 期末考試期末考試 60%60% 上機實驗上機實驗 20%20% 隨堂測試隨堂測試 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%，讀書報告、課后作業(yè)，讀書報告、課后作業(yè) 自主實驗、出題自主實驗、出題 10%10%，分組完成，具體見群文件，分組完成，具體見群文件 第第章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 第第章章 計算機系統(tǒng)概

6、論計算機系統(tǒng)概論 1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介 1.4 本書結構本書結構 1.3 計算機硬件的主要技術指標計算機硬件的主要技術指標 1.2 計算機的基本組成計算機的基本組成 1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介 現(xiàn)代計算機的多態(tài)性現(xiàn)代計算機的多態(tài)性 來自于國立臺灣大學郭斯彥來自于國立臺灣大學郭斯彥 教授講稿教授講稿 跑得最快的計算機跑得最快的計算機（截止（截止2015年年11月）月） 1212 Rank Site 國家國家 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 中國國防科技大學中國國防科技大學 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：美國能源部所屬：美國能源部Oak Ridge國家實驗室國家實驗室 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：美國能源部、美國國家核安全管理局所屬：美國能源部、美國國家核安全管理局 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：日本計算科學研究機構所屬：日本計算科學研究機構 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：美國能源部所屬

10、：美國能源部/ SC /Argonne國家實驗室國家實驗室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個機柜、個機柜、1868818688個計算節(jié)點的個計算節(jié)點的Cray Cray XK7XK7超算系統(tǒng)，每個節(jié)點有一顆推土機架構的超算系統(tǒng)，每個節(jié)點有一顆推土機架構的AMD Opteron AMD Opteron 62006200十六核心處理器、一塊開普勒架構的十六核心處理

12、器、一塊開普勒架構的NVIDIA Tesla K20 NVIDIA Tesla K20 GPUGPU加速計算卡，整體浮點性能超過加速計算卡，整體浮點性能超過20PFlops(20PFlops(每秒鐘每秒鐘2 2億億億億 次浮點計算次浮點計算) )，系統(tǒng)的性能最高可以拓展超過，系統(tǒng)的性能最高可以拓展超過50PFlops50PFlops。該該 運算能力是前一輩超級計算機運算能力是前一輩超級計算機Jaguar Jaguar 的十倍，是普通計算的十倍，是普通計算 機的機的2020萬億倍。值得一提的是，該計算機的部分部件原本是萬億倍。值得一提的是，該計算機的部分部件原本是 打算應用在游戲型計算機上。打算

13、應用在游戲型計算機上。 1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介 1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介 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. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 計算機的實體，計算機的實體， 如主機、外設等如主機、外設等 一、一、 計算機的軟硬件概念計算機的軟硬件概念 硬件硬件 軟件軟件 按任務需要編制成的各種程序按任務需要編制成的各種程序 用來管理整個計算機系統(tǒng)用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 應用軟件應用軟件 語言處理程序語言處理程序 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 服務性程序服務性程序 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 網(wǎng)絡軟件網(wǎng)絡軟

14、件 軟軟 件件 計算機計算機 高級語高級語 言程序言程序 目標目標 程序程序 結果結果 翻譯翻譯運行運行 2. 計算機的解題過程計算機的解題過程 二、計算機系統(tǒng)的層次結構二、計算機系統(tǒng)的層次結構 高級語言高級語言 虛擬機器虛擬機器 M3 匯編語言匯編語言 虛擬機器虛擬機器 M2 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 虛擬機器虛擬機器 機器語言機器語言 實際機器實際機器 M1 微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng) 微程序機器微程序機器 M0 用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯 成匯編語言程序成匯編語言程序 用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯 成機器語言程序成機器語言程序 用機器語言解釋操作系統(tǒng)用機器語言解釋操作系統(tǒng) 用微指令解釋機器指令用微指

15、令解釋機器指令 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 虛擬機器虛擬機器 M4 虛擬機器虛擬機器 M3 虛擬機器虛擬機器 M2 實際機器實際機器 M1 微程序機器微程序機器 M0 程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性 概念性的結構與功能特性概念性的結構與功能特性 計算機計算機 體系結構體系結構 計算機計算機 組成組成 實現(xiàn)計算機體系結構所體現(xiàn)的屬性實現(xiàn)計算機體系結構所體現(xiàn)的屬性 有無乘法指令有無乘法指令 如何實現(xiàn)乘法指令如何實現(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、數(shù)據(jù)類型、尋址技術、I/OI/O機理）機理） （具體指令的實現(xiàn)）（具

16、體指令的實現(xiàn)） 三、三、計算機體系結構和計算機組成計算機體系結構和計算機組成 1.2 計算機的基本組成計算機的基本組成 1. 計算機由五大部件組成計算機由五大部件組成 3. 指令和數(shù)據(jù)用二進制表示指令和數(shù)據(jù)用二進制表示 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. 以運算器為中心以運算器為中心 2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器， 可按地址尋訪可按地址尋訪 5. 存儲程序存儲程序 一、馮馮諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點 5. 存儲程序存儲程序 算術運算算術運算 邏輯運算邏輯運算 存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù) 和程序和程序將信息轉換成機將信息轉換成機

17、器能識別的形式器能識別的形式 將結果轉換成將結果轉換成 人們熟悉的形式人們熟悉的形式 指揮程序指揮程序 運行運行 馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖 存儲器存儲器 輸入設備輸入設備運算器運算器 控制器控制器 輸出設備輸出設備 馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖 存儲器存儲器 輸入設備輸入設備運算器運算器 控制器控制器 輸出設備輸出設備 二、計算機硬件框圖二、計算機硬件框圖 1. 以存儲器為中心的計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖 程序程序 存儲器存儲器輸出設備輸出設備輸入設備輸入設備 運算器運算器 控制器控制器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 結果結果 計算計算 ALU 主存主存 輔存

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