Chapter-1-计算机概要与技术

电子科技大学计算机科学与工程学院1计算机组成与设计硬件/软件接口ComputerOrganizationandDesignTheHardware/SoftwareInterfaceDavidA.PattersonJohnL.Hennessy张建E-mail:[e-mail]电子科技大学计算机科学与工程学院2课程目标：架起硬件-软件间的桥Computer是如何组成的CPU是如何工作的电子科技大学计算机科学与工程学院3课程目标：Yes,Icandoit!单周期CPU的设计电子科技大学计算机科学与工程学院4教材ComputerOrganizationandDesignTheHardware/SoftwareInterfaceDavidA.PattersonJohnL.Hennessy计算机组成与设计硬件/软件接口原书第4版电子科技大学计算机科学与工程学院5参考教材：ComputerOrganizationandDesignTheHardware/SoftwareInterfaceDavidA.PattersonJohnL.Hennessy计算机原理与设计—VerilogHDL版李亚民著清华大学出版社电子科技大学计算机科学与工程学院6课堂教学的作用：教学是互动的培养同学们：引出知识点掌握分析问题、解决问题的能力。电子科技大学计算机科学与工程学院7Verygood课堂纪律第一台数字计算机1946年美国美国-宾夕法尼亚大学尺寸:30吨,15000平方英尺性能：每秒5000次加法运算Mauchly莫奇来Eckert爱克特作用：计算炮弹、火箭等的弹道轨迹1.1引言9电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言第一代：电子管计算机电子管电子管计算机10电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言第二代：晶体管计算机晶体管晶体管计算机11电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言1954年5月24日贝尔实验室使用800只晶体管第一台晶体管计算机TRADIC代表机型IBM–700(1958年)12电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言集成电路集成电路计算机第三代：集成电路计算机13电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言第四代：大规模集成电路计算机大模集成电路大规模集成电路计算机14电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言第五代：计算机会是什么？15电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言1.用二进制代码表示程序和数据；2.计算机采用存储程序的工作方式；3.计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备等五大部件组成。主要思想包括：冯·若依曼(Von·Nouma)美籍匈牙利数学家1903–195716电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言信息时代什么是信息（information）？17电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言Forexample姚明2.26米Oh，好高Thisisaninformationinformation人们从消息中总结出来的对人们有用的东西。18电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言李杰Oh，不懂Forexample信息有大小、多少之分吗？Noinformation19电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言ForexampleA.这次期末考试只考教材中的内容，不考参考资料中的内容B.这次期末考试该类型的题必考一题20电子科技大学计算机科学与工程学院1.1引言信息量的定义：设某个消息出现的概率为p，则该消息所包含的信息量为：𝐴=𝑙𝑜𝑔21𝑝（𝑏𝑖𝑡）比特（bit）是信息量的单位。21电子科技大学计算机科学与工程学院1.1.1计算机应用的分类及特性桌面计算机（Desktop/LaptopComputer）通用性应用构成CPU、内存、硬盘、鼠标、键盘、显示器等主要指标性能：能运行多快基本功能（扩展功能）价格22电子科技大学计算机科学与工程学院1.1.1计算机应用的分类及特性服务器（ServerComputer）OneRack-MountPCUnit大规模应用服务文件存储、计算、业务处理等主要指标性能可靠性、有效性能耗、价格23电子科技大学计算机科学与工程学院1.1.1计算机应用的分类及特性嵌入式计算机（EmbeddedComputer）作为一个大系统的一部分主要指标性能（实时性）功耗价格24电子科技大学计算机科学与工程学院1.1.1计算机应用的分类及特性02004006008001000120019971999200120032005200711029540550278593114135136202265189200CellPhonesPCsTVsXilinxFPGACloudComputingNVidiaGPUCellPhoneCars25电子科技大学计算机科学与工程学院理解程序性能算法（Algorithm）决定执行操作的数量程序语言、编译器和体系结构决定每个操作所对应机器指令数I/O系统（I/OSystem）决定I/O操作的执行速度26电子科技大学计算机科学与工程学院软硬件层次图文字处理软件游戏软件操作系统C编译器27电子科技大学计算机科学与工程学院软硬件层次图Logic-gates,statemachines,etc.Circuit-transistors,etc.Layout-maskpatterns,etc.HardwareProcessorI/OSystemSoftwareCompilerApplicationProgramsOperatingSystemApplicationInstructionSetArchitectureInterfacebetweenSW&HW28电子科技大学计算机科学与工程学院从高级语言到硬件语言MachineLanguage00000000001000100100000000100000High-LevelLanguage(C)c=a+b;AssemblyLanguageaddR8,R1,R2AssemblerCompiler计算机只能执行机器语言1对多1对129电子科技大学计算机科学与工程学院1.3硬件概念入门计算机5大经典组成部件ProcessorControlDatapathOutputInputMemory10010100101100000010100101010001111101110110011010010100101100001001010010110000100101001011000030电子科技大学计算机科学与工程学院1.3硬件概念入门OutputdeviceNetworkcableInputdeviceInputdevice31电子科技大学计算机科学与工程学院1.3硬件概念入门光电鼠标（OpticalMouse）LED光源小型低分辨率相机图像处理器按键及滚轮32电子科技大学计算机科学与工程学院1.3硬件概念入门LCD—Liquidcrystaldisplay33电子科技大学计算机科学与工程学院打开机箱34电子科技大学计算机科学与工程学院AMDBarcelona:4processorcores35电子科技大学计算机科学与工程学院相关概念抽象（abstraction）-有助于我们理解复杂系统屏蔽低层细节指令集体系结构(Instructionsetarchitecture-ISA)硬件/软件的接口应用二进制接口(Applicationbinaryinterface-ABI)ISA提供给系统软件的接口36电子科技大学计算机科学与工程学院1.3.4数据安全易失性存储器-mainmemory掉电后数据丢失掉电后数据不丢失非易失性存储器–secondarymemory37电子科技大学计算机科学与工程学院Network通信和资源共享局域网–Localareanetwork,LAN广域网–Wideareanetwork,WAN无线网–WiFi、Bluetooth38电子科技大学计算机科学与工程学院技术发展趋势年份技术性价比1951Vacuumtube11965Transistor351975Integratedcircuit(IC)9001995VerylargescaleIC(VLSI)2,400,0002005UltralargescaleIC6,200,000,000DRAMcapacity39电子科技大学计算机科学与工程学院1.4性能的定义•哪一种飞机的性能最好？0100200300400500DouglasDC-8-50BAC/SudConcordeBoeing747Boeing777PassengerCapacity0200040006000800010000DouglasDC-8-50BAC/SudConcordeBoeing747Boeing777CruisingRange(miles)050010001500DouglasDC-8-50BAC/SudConcordeBoeing747Boeing777CruisingSpeed(mph)0100000200000300000400000DouglasDC-8-50BAC/SudConcordeBoeing747Boeing777Passengersxmph40电子科技大学计算机科学与工程学院1.4性能的定义响应时间-Responsetime从提出请求到被执行的时间吞吐率-Throughput单位时间内所做的工作提高响应时间和吞吐率的方法？用更快的处理器–改进了响应时间、吞吐率用更多的处理器–增加了吞吐率41电子科技大学计算机科学与工程学院性能的测量CPU时间-CPUtime执行某一任务在CPU的花费的时间时钟周期-ClockcycleClockperiod42电子科技大学计算机科学与工程学院CPU性能及因素=𝐶𝑃𝑈时钟周期数时钟频率CPU时间=CPU时钟周期数×时钟周期改进性能的方法减少时钟周期数；增加时钟频率；43电子科技大学计算机科学与工程学院Example计算机A：2GHz，CPU时间10秒设计计算机B：目标：CPU时间缩短为6秒方法：提高时钟频率，但时钟周期数会变为计算机A的1.2倍计算机B的时钟频率应为多少？44电子科技大学计算机科学与工程学院Example时钟周期数𝐴=𝐶𝑃𝑈时间𝐴×时钟频率𝐴=10𝑠×2𝐺𝐻𝑧=2×1010时钟频率𝐵=时钟周期数𝐵𝐶𝑃𝑈时间𝐵=1.2×2×10106𝑠=4GHz45电子科技大学计算机科学与工程学院指令性能𝐶𝑃𝑈时钟周期数=程序指令数×𝐶𝑃𝐼CPI（Clockcycleperinstruction）表示执行每条指令所需的平均时钟周期数。𝐶𝑃𝑈时间=程序指令数×𝐶𝑃𝐼×时钟周期=程序指令数×𝐶𝑃𝐼时钟频率46电子科技大学计算机科学与工程学院CPIExample•计算机A：时钟周期=250ps，CPI=2.0•计算机B：时钟周期=500ps，CPI=1.2•2台计算机的ISA（指令集架构）相同哪个计算机更快？快多少？𝐶𝑃𝑈时间𝐴=程序指令数×𝐶𝑃𝐼𝐴×时钟周期𝐴=𝑥×2.0×250𝑝𝑠=𝑥×500𝑝𝑠𝐶𝑃𝑈时间𝐵=程序指令数×𝐶𝑃𝐼𝐵×时钟周期𝐵=𝑥×1.2×500𝑝𝑠=𝑥×600𝑝𝑠47电子科技大学计算机科学与工程学院CPIExample∵𝐶𝑃𝑈时间𝐴𝐶𝑃𝑈时间𝐵∴𝐶𝑃𝑈时间𝐴更快𝐶𝑃𝑈时间𝐵𝐶𝑃𝑈时间𝐴=𝑥×600𝑝𝑠𝑥×500𝑝𝑠=1.248电子科技大学计算机科学与工程学院代码段的比较电子科技大学计算机科学与工程学院指令类型ABCCPI123IC指令数(代码序列1)212IC指令数(代码序列2)411•代码序列1IC=2+1+2=5时钟周期数=2×1+1×2+2×3=10CPI=10÷5=2.049电子科技大学计算机科学