0 课程概述
1. 什么是计算机组成原理
- 组成：计算机硬件系统的逻辑实现
- 原理：“一般的”，不依托任何具体机型
2. 课程内容
- 基本部件的结构和组织方式
- 基本运算的操作原理
- 基本部件和单元的设计思想
3. 教材
- 《计算机组成原理（第2版）》 唐朔飞
- 《计算机组织与设计：硬软件接口技术》 A.Patterson John.L.Hennessy （以MIPS为实例）
- 《数字设计和计算机体系结构》 Morgan Kaufmann
4. 课程体系
5. 区别
- 计算机系统结构：为什么（分析+评测），并行计算机系统入门
- 计算机组成原理：怎么做
1.1 计算机系统简介
现代计算机的多态性：sensor, Info. appliance, laptop, PC, server, mainframe, HPC（高性能计算机）, 物联网（感应器嵌入各种物体，并普遍连接）。
一、 计算机的软硬件概念
硬件：计算机的实体；
软件：具有各类功能的信息（程序）组成。
- 系统软件：管理整个计算机系统（语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件）；
- 应用软件：按任务需要编制的各种软件。
二、 计算机的层次结构
1. 计算机系统
系统复杂性管理的方法1：抽象 （隐藏系统中不重要的细节）。
本课主要研究逻辑层和微体系结构层。
2. 程序员视角
虚拟机器用软件实现，实际机器和微程序机器用硬件实现，之间是软硬件的接口。
三、 计算机体系结构和计算机组成
计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性（指令系统、数据类型、寻址技术，I/O机理） “有无乘法指令”；
计算机组成：实现具体的指令 “如何实现乘法指令”。
1.2 计算机的基本组成
一、 冯·诺依曼计算机的特点
- 计算机由五大部件组成；
- 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访；
- 指令和数据用二进制表示；
- 指令由操作码和地址码组成；
- 存储程序；
- 以运算器为中心。
二、冯·诺依曼计算机硬件框图
实线表示数据通路，虚线表示控制线路。
- 运算器：数学运算，逻辑运算；
- 存储器：存储数据和程序；
- 控制器：指挥程序运行；
- 输入设备：将信息转化为机器能识别的形式；
- 输出设备：将结果转化为人们熟悉的形式。
问题：
- 运算器过于繁忙，成为系统的瓶颈；
- 框图不具有层次化的特征。
如何改进？
1. 以存储器为核心
2. 现代计算机硬件框图
系统复杂性管理的方法2：3'Y
- 层次化 Hierachy ：划分为多个模块或子模块；
- 模块化 Modularity ：有明确定义的功能和接口；
- 规则性 regularity ：模块更加容易被重用。
三、 计算机的工作步骤
1. 上机前的准备
- 建立数学模型；
- 确定计算方法；
- 编制解题程序（程序——完整步骤/指令——单个步骤）。
ACC 为累加器。
2. 计算机的解题过程
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存储器的基本组成
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存储体
存储体（大楼）——存储单元（房间）——存储元件（床位，0/1表示无人/有人）
存储单元： 存放一串二进制代码；
存储字： 存储单元中的二进制代码；
存储字长： 存储字的长度。
每个存储单元赋予一个地址，存储单元按照地址寻址。
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存储器地址寄存器 MAR：保存存储单元的地址或编号，反映存储单元的个数。
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存储器数据寄存器 MDR：保存要送入送出存储体的数据（比如送入CPU的），反映存储字长。
e.g. 设MAR=4位，MDR=8位，存储单元个数16个，存储字长8。
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运算器的基本组成及操作过程
-
基本组成
ALU算逻运算单元是一个组合电路。组合电路如果撤销输入，也会撤销输出，所以必须在ALU的输入端加上寄存器，保存输入数据（ACC和X）；ACC也用于保存结果，因为运算结果长度可能增加，增加乘商寄存器MQ保存多出来的部分。
不同机型对应的运算器结构可能不同。
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操作过程
操作有顺序，由控制器控制先后或同时进行。
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控制器的功能及基本组成
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功能：解释指令、保障指令的有序执行；
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基本组成
取指令：从程序计数器PC中取出当前欲执行指令的地址；
分析指令：IR存放当前欲执行的指令，控制单元取出操作数进行分析。
-
运算器、控制器和存储器构成了计算机的主机。
- 主机完成一条指令的过程
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1. 机器字长
CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关；
2. 运算速度
主频、核数、每个核支持的线程数……
吉普森法：指令执行速度的加权平均（静态使用频率、动态使用频率） \(T_M=\sum\limits_{i=1}^n f_i t_i\)
CPI：执行一条指令所需时钟周期数
MIPS：每秒执行百万条指令
FLOPS：每秒浮点运算次数（更科学）
3. 存储容量
存放二进制信息的总位数
主存容量表示方式：存储单元个数*存储字长（如MAR=10,MDR=8，容量1K*8位），字节数
辅存容量表示方式：字节数
2.1 计算机的发展史
一、 计算机的产生和发展
1946年 美国ENIAC 十进制运算 由大量电子管构成，功耗大，占地面积大 用手工搬动开关进行编程
现代计算机产生的驱动力：
- 需求
- 技术发展：电子技术、体系结构技术
以硬件技术为计算机划代的标准：电子管——晶体管——中小规模集电——大规模集电——超大规模集电
IAS：以运算器为中心的冯诺依曼结构计算机
IBM System/360大中小型一系列产品：提出了计算机系统结构，给出了软硬件系统的交界面（软硬件设计可以同时进行）；相同体系结构允许软件移植，形成了系列机和兼容机（同一公司，相同体系结构：系列机 / 不同公司，相同体系结构：兼容机）。
二、 微型计算机的出现和发展
微型计算机是使用微处理器的，集成度相对高的，面向个人的计算机。微处理器芯片和存储器芯片为微型计算机发展奠定基础。目前，芯片可集成超过30万个晶体管。
Moore（Intel公司创始人）定律：微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番。
三、 软件技术的兴起和发展
1. 各种语言
机器语言——面向机器（每设计一台新机器，都有不同的指令集，程序难以移植；01代码难以编写），汇编语言——面向机器，高级语言——面向问题（FORTRAN 科学与工程计算 PASCAL 结构化编程 C++ JAVA）
2. 系统软件
语言处理程序（汇编程序、编译程序、解释程序），操作系统，服务性程序（装配、调试、诊断、报错），数据库管理系统，网络软件
3. 软件发展的特点
软件是程序+ 文档（开发、使用、维护）
开发周期长，制作成本昂贵，检测软件产品质量的特殊性（很难把作用域完全测试，代码运行成功也不一定正确，程序分支复杂）
2.2 计算机的应用
科学计算和数据处理，工业控制和实时控制，网络技术，虚拟现实，办公自动化和管理信息系统，CAD/CAM/CIMS， 多媒体技术，人工智能
2.3 计算机的展望
替代传统的硅芯片？——光计算机（利用光子取代电子进行运算和存储），DNA生物计算机，量子计算机