计算机组成原理-L01-intro

计算机组成与实践

这个系列用来整理老师（谷守珍）上课的ppt

一.课程信息

课程教材

🔷《Computer Organization and Design, The Hardware/Software Interface》(Fifth Edition)，作者：David A. Patterson和John. Hennessy

🔷电子版，amazon.com

软件：Logisim

课程教学内容及目标

🔷高级语言的程序如何翻译成硬件可执行的语言

​ •硬件如何执行程序

🔷什么是软硬件之间的接口

​ •软件如何指导硬件完成功能

🔷哪些因素决定了程序的性能

​ •程序员如何改进程序性能

🔷哪些技术可以改进计算机性能

🔷串行处理为什么发展为并行处理

如何学习这门课

基础知识

​ ♦基础的逻辑设计与电路知识

​ ♦FSMs，与或非逻辑

​ ♦处理器，存储器，I/O基本知识

​ ♦编写、编译、运行程序

推荐学习方式

​ ♦关注并学习具体实例的运行

​ ♦以例子为基础，学习基本原理

二.背景

计算机的发展

电子计算机时代（1947贝尔实验室第一个晶体管/1951第一台商业计算机UNIVAC-1）–集成电路计算机时代(1958德州仪器发明集成电路/代表IBM360)–微处理器（CPU）的诞生（1971，intel4004）

电子技术的发展

🔷容量增大，性能提升

🔷制造成本降低

半导体（Semiconductor）技术

🔷硅：导电能力不强，称为半导体

🔷加入其他材料，将硅转变成包含三种属性的区域

•良好的导电体

•良好的绝缘体

•可控的导电体或绝缘体

成品率：合格芯片数占总芯片数的百分比（想到显卡cpu都是按最高标准生产晶圆，合格的做成i9-13900，ad102（rtx6000Ada），不合格的就屏蔽部分做出i7-13700，ad102-300-A1（rtx4090）以及之后的各档次）

集成电路成本

🔷每个晶圆的价格和面积是固定的

🔷制造工艺决定瑕疵率

🔷体系结构和电路设计决定芯片面积

🔷芯片的成本取决于成品率以及芯片和晶圆的面积

摩尔定律

各厂商制程线路图

芯片制程

栅极（Gate）
电流从源极（Source）流入漏极（Drain），栅极（Gate）相当于闸门，负责控制电流的通和断。

芯片“nm”的制程数值
指的是芯片中最小的栅极宽度。而栅极宽度决定了电流通过时的损耗，栅极越窄、功耗越低，性能越高。

功耗计算：

我现在的r5 5600电压是1.26，主频4.7GHz

🔷例子：设计新处理器

​ •负载电容是旧处理器的85%

​ •电压和开关频率减少15%

🔷功耗墙(TDP,上面那颗就是65w)

​ •不能再减少电压

​ •不能解决散热问题

🔷怎样提升性能？

单核处理器转向多核处理器

原因：功耗, 指令级并行, 存储访问延迟影响

🔷多核微处理器

​ •单芯片集成更多处理器（processor）

🔷需要显性并行编程

​ •与指令级并行相比

​ •硬件可以同时执行多条指令

​ •程序员不可见硬件并行

•难点

​ •如何提升性能

​ •负载均衡问题

​ •通信与同步技术

个人计算机（Personal Computers）

个人计算机
通用型计算机 运行第三方软件 性价比高 (DIY)

服务器（ Server Computers）

服务器
通过网络访问 执行大负载任务、高性能、高可靠性 高能耗、高成本 分为通用服务器和专用服务器，例如超级计算机（Supercomputers）是用于计算的专用服务器

嵌入式计算机（Embedded Computers）

嵌入式计算机
面向单一任务 严格限制成本、性能、能耗

仓储规模计算机（WSC）

仓储规模计算机（WSC）
WSC是云计算的核心 软件即服务（ Software as a Service ） 部分软件运行在移动端设备，部分软件运行在云端 重视互动应用程序、大规模存储、可靠性和很高的因特网带宽

个人移动终端（Personal Mobile Device，PMD）

个人移动终端
电池供电 无线方式连接网络 个人移动终端销售量远大于桌面终端

三.课程内容简介

计算机构成

主要组成部件
数据通路（运算）单元 控制单元 存储器（缓存、内存和硬盘等） 输入设备（鼠标、键盘等） 输出设备（显示器和打印机等）

学习处理器（数据通路和控制单元）与存储器的基本设计方法、相互间的协调合作

​ 🔷处理器与存储器由几百至几千万晶体管实现

​ 🔷深入到学习每个晶体管的功能不现实

​ 🔷需要采用抽象的方式来学习

程序概念入门

🔷应用软件

​ 🔷高级编程语言，例如C、Java、Python等

🔷系统软件

​ 🔷编译程序：将高级语言程序翻译成

  硬件可执行的指令

​ 🔷操作系统：为应用软件与硬件交互

​ 提供服务的软件

​ 🔷处理基本输入输出

​ 🔷分配内外存

​ 🔷对任务进行调度，提供共享计算机资源的服务

🔷硬件

🔷处理器，存储设备，I/O控制器等

高级程序语言

​ 🔷程序员可以根据需要选择高级编程语言，以类似自然语言的方式编写程序代码

​ 🔷可读性高，容易纠错，提升了程序员的代码生产力

​ 🔷程序维护性高

​ 🔷不依赖于硬件平台，可移植性好

​ 🔷优化编译器可以基于机器平台进行高效的汇编代码优化

高级程序语言的运行

高级程序语言程序（C语言）–编译–汇编语言程序（MIPS）–汇编– 机器代码（MIPS）

运行流程：

​ ①代码通过输入设备加载到计算机

​ ②代码输入到计算机后，保存在存储器中

​ ③处理器从存储器提取指令

​ ④控制器对指令进行译码，获得指令的执行信息

​ ⑤数据通路根据控制信号执行指令

​

指令集体系结构（ISA）

硬件和底层软件之间的接口，被命名为计算机的指令集体系结构（instruction set architecture，ISA）或简称体系结构（architecture）

​ 🔷体系结构有指令、寄存器、存储器访问、I/O等编写机器语言程序所需的所有信息。

​ 🔷隐藏底层细节，使程序员只需要考虑功能

​ 🔷基本指令集和操作系统接口被称为应用二进制接口（Application binary interface，ABI）

​ 🔷体系结构的实现：遵循体系结构抽象的硬件

四.小结

软硬件协同工作：

​ 🔷多个层次间通过抽象相互合作

​ 🔷各项技术都在快速的发展

​ 🔷设计、测试与评估方法复杂