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– MOS transistors, logic gates, combinational and sequential circuits, finite-state machines – Computers both hardware and software mechanisms – each student completes a gate-level design for a reduced instruction set computer (RISC) processor during the semester.
CS CS252 252
Graduate Computer Architecture, Advanced Topics
Basic computer organization, first look at pipelines + caches 从C语言程序的执行 角度讨论计算机组成 原理，但重点关注 MIPS处理器和存储系 统，其他关注很少
– is essential for later courses in digital design, computer architecture and systems.
• 6.004 offers an introduction to the engineering of digital systems
教指委“核心课程教学实施方案”
科学型 概述 数值的机器表示 数值的机器运算* 存储系统* 指令系统与CPU* I/O 总线 总学时 2 4 8 12 18（6＋12） 9 3 56 工程型 2 2 8 16 18（6＋12） 8 2 56 应用型 2 8 8 10 20 5 3 56 8 28（4＋12＋12） 8 4 58 科大 2 8
课后实验
• 基于Quartus II，设计一个small计算机系统。
– 系统硬件组成包含Nios CPU、on_chip_ram和JTAG UART三个模块； – 编写C语言程序“hello_world_small”； – 成果要求：
• 报告设计过程、结果（原理图、仿真结果、源代码）、出现 的典型问题及解决过程； • 要求结果体现个人ID： “hello_world_small—llxx”
华硕 P4S533-MX主板
BOOT过程
课程内容
• 课堂教学
– 外围部件结构
• 系统总线（总线性能、总线结 构、总线控制） • 存储器（主存储器、高速缓存、 辅助存储器） • 输入输出系统（I/O接口、I/O 控制方式、外设）
– 中央处理器（CPU）
• • • • 计算机的运算方法 指令系统 CPU的结构 控制单元设计
wk.baidu.comECS@UCB Related Courses
MIPS处理器的实现和“并行” 技术，以及层次化存储系统， Parallel Architectures, I/O几乎忽略 Languages, Systems
CS CS258 258
CS61C CS61C
Strong Prerequisite
CS CS152 152
– 期末考试：55％（闭卷） – 作业：30％，不能抄袭
• 不能补交！
– 课堂练习：5％ – 课后实验：5％
• 编程，small系统设计
– 调查报告：2～3篇， 5％
• 理解与综合能力，不能抄袭，要有参考文献 • 资料来源：参考书、Internet
• 实验课：30％ • 教师
– 主讲：李曦（llxx@ustc.edu.cn） – 助教：刘杰等
USTC的相关课程特点
• 主干：组成原理、微机原理和体系结构三门课
– 组成原理：完整讲解总线、存储器（系统）、I/O、运 算器、控制器几大部件的工作原理，以及处理器的实 现（包括高教社教科书中的A模型和补充的MIPS模型 的基本内容）。一般不涉及具体机型。 – 微机原理：以x86系统为例，讨论计算机应用系统的工 作原理和实现； – 体系结构：讨论系统的量化分析和优化。
• 三种类型的区别主要在*号部分
本课程的作用
• “为今后学习操作系统、编译原理、计算机体系结 构、计算机网络、计算机容错、并行计算、分布 式系统等课程打好基础”。 • 相关课程
– 数据结构 – 算法设计 – 组成原理
• 重点“单处理器”计算机系统组成 • 强调软硬件接口
– – – –
操作系统 编译原理 体系结构 。。。。。。
• 一个简单的计算机（LC-3），以及LC-3的机器和汇 编语言、C高级语言、递归等，最后是基本数据结 构。
• 深入理解计算机系统（CSAPP）
– （美）Randal E. Bryant, David R. O'Hallaron – 结合计算机软件和硬件理论，内容覆盖计算机 导论、体系结构和处理器设计等多门课程。 – 本书的最大优点是为程序员描述计算机系统的 实现细节
6. A模型CPU控制器设计（4） 7. MIPS处理器设计（6） 8. Cache（4） 9. 辅存（5）
• • • • 外存、虚存管理、冗余编码 接口、程序控制I/O、中断I/O、DMA 机器数编码与表示、算逻运算，浮点运算、ALU 数据流计算机、功耗、多核等
10. I/O系统（6） 11. 运算器设计（6） 12. 前沿（4）
Computer Architecture, First look at parallel architectures
CS CS150 150
Digital Logic Design
CS CS194?? 194??
New FPGA-based Architecture Lab Class
强调微处理器和存储系统，忽视I/O（不知是否有其他课程）；另外，强调CE！
USTC的有关课程
• 数电、电子系统设计（VerilogHDL）：大X • 计算机组成原理：大2下
– 对计算机系统的基本组成结构和工作机制有比较透彻的理解
• 微型计算机原理：大3
– 突出应用，详细讲述微处理器编程结构、汇编语言、接口技术和 应用编程方法
• 计算机体系结构：大3
– 论述计算机系统的设计优化技术和性能定量分析方法
• 本课程的目的
– 深入理解计算机系统的硬件组成和工作原理
• 系统构成、总线、存储器、I/O系统等
– 深入理解处理器的内部结构和工作原理 – 深入理解各个功能部件的系统级设计过程
MIT’09: Computation Structures
• 6.004 is required material for any EECS undergraduate
• 基于x86的Debug环境，编写任意10个数值的冒 泡排序程序，并调试运行。
– 成果要求：
• 报告设计过程、结果（汇编代码、内存数据段映像）、出现 的典型问题及解决过程； • 要求结果体现个人ID。
实验课
• 设计实现《计算机系统概论》的 LC-3模型机（见附录A/C）
– 共16条指令，指令集具有RISC特征
• 强调完整的计算机系统的工作原理和分析，注重 系统功能部件的设计方法。 • 课程体系教学内容划分比较清晰、合理。
– 如虚存的讨论，主要放在体系结构（性能分析）、操 作系统（页表定义和MMU管理）和微机原理（相关寄 存器组织和使用）中，组成原理中基本不涉及。
教材
• Textbook：
– 唐朔飞，《计算机组成原理》 高教社
• Reference:
– Patterson and Hennessy, “Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface”, 2nd Edition, 1998 – William Stallings，“Computer organization and architecture： Designing for performance”, 4th Edition, 2002
教材选用说明
• 以唐本为主
– 从教学内容看
• 唐本仅介绍了流水 线处理器的概念， 没有讨论其实现， 因此以Patterson本 第2、5、6三章为 补充
Patterson： 1. 计算机概念和技术
– 概述
2.
– – –
计算机指令（70页）
指令 编译器 面向对象语言
3. 4. •
–
计算机的算术运算（50页） 评估和理解性能（30页） 处理器（100页）
CS：科学or工程
学习思路
• 目标：构建计算机的全部过程
– “功能、组织、过程、定时、度量”
• Yale Patt@ece.utexas
– Top-down：适于“设计”
• 从高级语言开始入手 • 前提是对底层有很好的理解
– Bottom-up ：“适于学习“！
• 《计算机系统概论》：从最底层的MOS晶体管开关器件开始，然 后是逻辑门、锁存器、逻辑结构 （开关MUX、译码器、全加器、 门锁存器等） ，最后使用这些单元来实现内存。之后，转至有限 状态机控制、顺序电路的实现、冯·诺伊曼体系结构、一个简单的 计算机 （LC-3），以及LC-3的机器和汇编语言、C高级语言、递 归等，最后是基本数据结构。
本章教学内容
• 计算机系统概述
– 计算机软硬件 – 计算机系统的层次结构 – 计算机组成 VS. 计算机体系结构
重点
1.
–
利用流水线提高性能（70页）
重点
– 强调系统的完整性
• 1.
– –
层次结构的存储器（60页）
1. Cache和虚存 磁盘、I/O接口 内容少
• 考研
存储器、网络和其他外围设备（30页） 多处理器和集群（30页）
2.
推荐参考书
• 计算机系统概论
– （美）Yale N.Patt，Sanjay J.Patel – 包括两方面的内容：计算机底层结构，高级语 言编程（编程方法学）
• llxx
– China-ring：快速原型法
• 总线、RAM、CPU，存储系统(Cache、辅存)、I/O、ALU
Course Schedule
1. 2. 3. 4. 5. 概论（3） 总线（4） RAM（4） ISA（4） CPU （4）
• • • 功能、组成、时序、中断系统 组合逻辑、微程序 指令集、单周期、多周期、流水线
计算机组成原理 第一章 概论
李曦 llxx@ustc.edu.cn
计算器，计算机？
计算机组成：what, how, why
硬盘 电源 导线和电缆 软驱
内存 扩展槽 微处理器 （CPU）
扩展卡
主板
各种外设接口， 各种外设接口， 包括：键盘、鼠 包括：键盘、鼠 标、显示器、 标、显示器、 USB 、声卡、网 USB 、声卡、网 卡、并行口等 卡、并行口等 CPU 风扇 CPU 风扇 支架 支架 PCI PCI 扩展槽 扩展槽 IDE 硬 IDE 硬 CPU 内存条 CPU 内存条 盘接口 盘接口 插槽 插槽 插槽 插槽
• Load/Store架构，但采用微程序实现
– Verilog HDL设计描述 – 逻辑仿真 – FPGA平台验证
• 计划
– 5-7周讲课
• 部分针对性内容在这里讲 • 课外作业为部件实验（含指令寄存器的 程序计数器、时序、运算器、存贮器）
– 8-15周设计LC-3。
课程成绩考核
• 课堂教学：70％
Perspective：软硬件接口
• David A. Patterson@CS.UCB
– “软件系统性能取决于软件设计者对系统硬件的 理解程度。操作系统设计者、更多的软件工程 师需要有较强的计算机组织与设计的背景知识”
MIT
• 我在这里的第一学期上了一门叫 《计算机系统设计》得本 科课程，其辛苦程度真实一言难尽。十五个星期内交了十 次作业，作了六次课程设计。有的设计还分几个部分，分 开交设计报告。所以设计报告大概也交了有十次左右。最 恐怖的是有一次，十天内要交六份作业或设计报告，而且 当时正值其他几门课正在期中考试。抱怨是没有用的，老 师说："我很抱歉。但这门课很重要，请大家不停的工作 。"学生从一般的逻辑时序电路开始设计（数电都已忘得 差不多了）；核心是自行设计"麻雀虽小五脏俱全"得ALU ，单指令周期CPU（single cycle CPU）；多指令CPU（ Multi-cycle CPU）；以直到最后实现流水线（pipe line） 32位MIPS CPU和Cache。一门课下来，所有与计算机 CPU有关的知识全部融会贯通。硬件设计水平也有了很大 提高（就是太累）。
CS CS252 252
Graduate Computer Architecture, Advanced Topics
Basic computer organization, first look at pipelines + caches 从C语言程序的执行 角度讨论计算机组成 原理，但重点关注 MIPS处理器和存储系 统，其他关注很少
– is essential for later courses in digital design, computer architecture and systems.
• 6.004 offers an introduction to the engineering of digital systems
教指委“核心课程教学实施方案”
科学型 概述 数值的机器表示 数值的机器运算* 存储系统* 指令系统与CPU* I/O 总线 总学时 2 4 8 12 18（6＋12） 9 3 56 工程型 2 2 8 16 18（6＋12） 8 2 56 应用型 2 8 8 10 20 5 3 56 8 28（4＋12＋12） 8 4 58 科大 2 8
课后实验
• 基于Quartus II，设计一个small计算机系统。
– 系统硬件组成包含Nios CPU、on_chip_ram和JTAG UART三个模块； – 编写C语言程序“hello_world_small”； – 成果要求：
• 报告设计过程、结果（原理图、仿真结果、源代码）、出现 的典型问题及解决过程； • 要求结果体现个人ID： “hello_world_small—llxx”
华硕 P4S533-MX主板
BOOT过程
课程内容
• 课堂教学
– 外围部件结构
• 系统总线（总线性能、总线结 构、总线控制） • 存储器（主存储器、高速缓存、 辅助存储器） • 输入输出系统（I/O接口、I/O 控制方式、外设）
– 中央处理器（CPU）
• • • • 计算机的运算方法 指令系统 CPU的结构 控制单元设计
wk.baidu.comECS@UCB Related Courses
MIPS处理器的实现和“并行” 技术，以及层次化存储系统， Parallel Architectures, I/O几乎忽略 Languages, Systems
CS CS258 258
CS61C CS61C
Strong Prerequisite
CS CS152 152
– 期末考试：55％（闭卷） – 作业：30％，不能抄袭
• 不能补交！
– 课堂练习：5％ – 课后实验：5％
• 编程，small系统设计
– 调查报告：2～3篇， 5％
• 理解与综合能力，不能抄袭，要有参考文献 • 资料来源：参考书、Internet
• 实验课：30％ • 教师
– 主讲：李曦（llxx@ustc.edu.cn） – 助教：刘杰等
USTC的相关课程特点
• 主干：组成原理、微机原理和体系结构三门课
– 组成原理：完整讲解总线、存储器（系统）、I/O、运 算器、控制器几大部件的工作原理，以及处理器的实 现（包括高教社教科书中的A模型和补充的MIPS模型 的基本内容）。一般不涉及具体机型。 – 微机原理：以x86系统为例，讨论计算机应用系统的工 作原理和实现； – 体系结构：讨论系统的量化分析和优化。
• 三种类型的区别主要在*号部分
本课程的作用
• “为今后学习操作系统、编译原理、计算机体系结 构、计算机网络、计算机容错、并行计算、分布 式系统等课程打好基础”。 • 相关课程
– 数据结构 – 算法设计 – 组成原理
• 重点“单处理器”计算机系统组成 • 强调软硬件接口
– – – –
操作系统 编译原理 体系结构 。。。。。。
• 一个简单的计算机（LC-3），以及LC-3的机器和汇 编语言、C高级语言、递归等，最后是基本数据结 构。
• 深入理解计算机系统（CSAPP）
– （美）Randal E. Bryant, David R. O'Hallaron – 结合计算机软件和硬件理论，内容覆盖计算机 导论、体系结构和处理器设计等多门课程。 – 本书的最大优点是为程序员描述计算机系统的 实现细节
6. A模型CPU控制器设计（4） 7. MIPS处理器设计（6） 8. Cache（4） 9. 辅存（5）
• • • • 外存、虚存管理、冗余编码 接口、程序控制I/O、中断I/O、DMA 机器数编码与表示、算逻运算，浮点运算、ALU 数据流计算机、功耗、多核等
10. I/O系统（6） 11. 运算器设计（6） 12. 前沿（4）
Computer Architecture, First look at parallel architectures
CS CS150 150
Digital Logic Design
CS CS194?? 194??
New FPGA-based Architecture Lab Class
强调微处理器和存储系统，忽视I/O（不知是否有其他课程）；另外，强调CE！
USTC的有关课程
• 数电、电子系统设计（VerilogHDL）：大X • 计算机组成原理：大2下
– 对计算机系统的基本组成结构和工作机制有比较透彻的理解
• 微型计算机原理：大3
– 突出应用，详细讲述微处理器编程结构、汇编语言、接口技术和 应用编程方法
• 计算机体系结构：大3
– 论述计算机系统的设计优化技术和性能定量分析方法
• 本课程的目的
– 深入理解计算机系统的硬件组成和工作原理
• 系统构成、总线、存储器、I/O系统等
– 深入理解处理器的内部结构和工作原理 – 深入理解各个功能部件的系统级设计过程
MIT’09: Computation Structures
• 6.004 is required material for any EECS undergraduate
• 基于x86的Debug环境，编写任意10个数值的冒 泡排序程序，并调试运行。
– 成果要求：
• 报告设计过程、结果（汇编代码、内存数据段映像）、出现 的典型问题及解决过程； • 要求结果体现个人ID。
实验课
• 设计实现《计算机系统概论》的 LC-3模型机（见附录A/C）
– 共16条指令，指令集具有RISC特征
• 强调完整的计算机系统的工作原理和分析，注重 系统功能部件的设计方法。 • 课程体系教学内容划分比较清晰、合理。
– 如虚存的讨论，主要放在体系结构（性能分析）、操 作系统（页表定义和MMU管理）和微机原理（相关寄 存器组织和使用）中，组成原理中基本不涉及。
教材
• Textbook：
– 唐朔飞，《计算机组成原理》 高教社
• Reference:
– Patterson and Hennessy, “Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface”, 2nd Edition, 1998 – William Stallings，“Computer organization and architecture： Designing for performance”, 4th Edition, 2002
教材选用说明
• 以唐本为主
– 从教学内容看
• 唐本仅介绍了流水 线处理器的概念， 没有讨论其实现， 因此以Patterson本 第2、5、6三章为 补充
Patterson： 1. 计算机概念和技术
– 概述
2.
– – –
计算机指令（70页）
指令 编译器 面向对象语言
3. 4. •
–
计算机的算术运算（50页） 评估和理解性能（30页） 处理器（100页）
CS：科学or工程
学习思路
• 目标：构建计算机的全部过程
– “功能、组织、过程、定时、度量”
• Yale Patt@ece.utexas
– Top-down：适于“设计”
• 从高级语言开始入手 • 前提是对底层有很好的理解
– Bottom-up ：“适于学习“！
• 《计算机系统概论》：从最底层的MOS晶体管开关器件开始，然 后是逻辑门、锁存器、逻辑结构 （开关MUX、译码器、全加器、 门锁存器等） ，最后使用这些单元来实现内存。之后，转至有限 状态机控制、顺序电路的实现、冯·诺伊曼体系结构、一个简单的 计算机 （LC-3），以及LC-3的机器和汇编语言、C高级语言、递 归等，最后是基本数据结构。
本章教学内容
• 计算机系统概述
– 计算机软硬件 – 计算机系统的层次结构 – 计算机组成 VS. 计算机体系结构
重点
1.
–
利用流水线提高性能（70页）
重点
– 强调系统的完整性
• 1.
– –
层次结构的存储器（60页）
1. Cache和虚存 磁盘、I/O接口 内容少
• 考研
存储器、网络和其他外围设备（30页） 多处理器和集群（30页）
2.
推荐参考书
• 计算机系统概论
– （美）Yale N.Patt，Sanjay J.Patel – 包括两方面的内容：计算机底层结构，高级语 言编程（编程方法学）
• llxx
– China-ring：快速原型法
• 总线、RAM、CPU，存储系统(Cache、辅存)、I/O、ALU
Course Schedule
1. 2. 3. 4. 5. 概论（3） 总线（4） RAM（4） ISA（4） CPU （4）
• • • 功能、组成、时序、中断系统 组合逻辑、微程序 指令集、单周期、多周期、流水线
计算机组成原理 第一章 概论
李曦 llxx@ustc.edu.cn
计算器，计算机？
计算机组成：what, how, why
硬盘 电源 导线和电缆 软驱
内存 扩展槽 微处理器 （CPU）
扩展卡
主板
各种外设接口， 各种外设接口， 包括：键盘、鼠 包括：键盘、鼠 标、显示器、 标、显示器、 USB 、声卡、网 USB 、声卡、网 卡、并行口等 卡、并行口等 CPU 风扇 CPU 风扇 支架 支架 PCI PCI 扩展槽 扩展槽 IDE 硬 IDE 硬 CPU 内存条 CPU 内存条 盘接口 盘接口 插槽 插槽 插槽 插槽
• Load/Store架构，但采用微程序实现
– Verilog HDL设计描述 – 逻辑仿真 – FPGA平台验证
• 计划
– 5-7周讲课
• 部分针对性内容在这里讲 • 课外作业为部件实验（含指令寄存器的 程序计数器、时序、运算器、存贮器）
– 8-15周设计LC-3。
课程成绩考核
• 课堂教学：70％
Perspective：软硬件接口
• David A. Patterson@CS.UCB
– “软件系统性能取决于软件设计者对系统硬件的 理解程度。操作系统设计者、更多的软件工程 师需要有较强的计算机组织与设计的背景知识”
MIT
• 我在这里的第一学期上了一门叫 《计算机系统设计》得本 科课程，其辛苦程度真实一言难尽。十五个星期内交了十 次作业，作了六次课程设计。有的设计还分几个部分，分 开交设计报告。所以设计报告大概也交了有十次左右。最 恐怖的是有一次，十天内要交六份作业或设计报告，而且 当时正值其他几门课正在期中考试。抱怨是没有用的，老 师说："我很抱歉。但这门课很重要，请大家不停的工作 。"学生从一般的逻辑时序电路开始设计（数电都已忘得 差不多了）；核心是自行设计"麻雀虽小五脏俱全"得ALU ，单指令周期CPU（single cycle CPU）；多指令CPU（ Multi-cycle CPU）；以直到最后实现流水线（pipe line） 32位MIPS CPU和Cache。一门课下来，所有与计算机 CPU有关的知识全部融会贯通。硬件设计水平也有了很大 提高（就是太累）。