【Computer Organization笔记01】计算机组成原理课程要求、计算机的层次结构、计算机的发展历史

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计算机组成原理 清华大学 刘卫东

本次笔记内容：
P1 计算机组成原理（01）
P2 计算机组成原理（02）

课程信息

_{由up主总结}

课程名称： 计算机组成原理
英文课名： Computer Organization
学分： 4（课内周学时：4 课内总学时：64， 其中讲课48，实验32）
（注：实验占用16个课内学时和16个实验学时）
学期： 秋季
先修课程要求： 汇编语言程序设计、数字逻辑及数字集成电路
课程大纲：
一、 计算机组成概述（2学时）

1. 计算机系统的基本组成和它的层次结构
2. 计算机系统的体系结构、组成和实现概述
3. 课程的教学目标和学习建议

二、 数据表示、运算和运算器部件（14学时）

1. 信息编码与码制转换，数据表示（2学时）
2. 数据运算算法（加、减、乘、除）及实现（2学时）
3. 运算器的功能及组成；位片结构的定点运算器芯片实例Am2901（2学时）
4. 教学计算机的运算器设计与实现，运算器教学实验说明（2学时）
5. 浮点运算和浮点运算器，检错纠错码（2学时）
6. 完成8位机的运算器部件设计（4学时）

三、 指令、指令系统和控制器部件（22学时）

1. 指令格式和寻址方式（2学时）
2. 教学计算机指令系统和监控程序的功能（2学时）
3. 完成8位机的指令系统设计（2学时）
4. 计算机控制器部件的功能及组成，指令执行步骤概述，控制器分类（2学时）
5. 微程序控制器的运行原理（2学时）
6. 教学计算机的微程序控制器设计与实现，微程序控制器教学实验说明（2学时）
7. 组合逻辑控制器运行原理（2学时）
8. 教学计算机组合逻辑控制器设计与实现（2学时）
9. 完成8位机的微程序控制器和硬连线控制器设计（6学时）

四、 多级结构的存储器系统（12学时）

1. 层次存储器系统概述，主存储器存储原理和特点（2学时）
2. 静态存储器芯片和动态存储芯片原理与特性，教学计算机存储器的设计与实现（2学时）
3. 高速缓冲存储器（CACHE MEMORY）（2学时）
4. 虚拟存储器（VIRTUAL MEMORY）的运行原理（2学时）
5. 磁表面存储设备、光盘设备的存储原理及组成，磁盘阵列（2学时）
6. 存储器系统设计（2学时）

五、 输入/输出设备与输入/输出系统（12学时）

1. 输入/输出系统与输入/输出方式概述：输入输出系统的作用、功能、与其他部件的关系、组成、需要解决的问题；输入、输出方式：程序直接控制、中断、DMA、外围处理机（2学时）
2. 计算机总线：总线的作用、功能、构成；总线周期、总线仲裁、运行方式；总线的发展（无总线、单总线、双总线、多总线）；总线举例：ISA、EISA、SCSI、PCI（2学时）
3. 输入输出接口电路：接口电路的作用、构成；串行接口举例（串、并行接口、USB）（2学时）
4. 计算机输入设备：输入设备种类；典型输入设备（键盘、鼠标、扫描仪）运行原理（2学时）
5. 计算机输出设备：输出设备种类；典型输出设备（显示器、打印机）运行原理（2学时）
6. 总线与接口设计（2学时）
   六、 总结与复习（2学时）

预热内容-课程介绍

• 这门课很难、很累；
• 计算机组成原理是计算机专业同学的看家本领。

如上图，数字逻辑是计算机归根结底的东西，但是没有选修也没有太大关系，因为本课程内用的数字逻辑器件并不多（但是要有硬件描述语言的基础）。

陈卫东老师：想开一门课，叫“计算机系统综合实验”，造一台计算机，设计编译器等等，从后端到前端认识计算机。

学习目的

• 了解计算机的硬件组成（五大部分组成）；
• 掌握计算机的运行原理（计算机怎样执行机器语言程序）；
• 理解现代计算机中的一些核心技术（流水、并行、Cache、缓存）；
• 提高编程能力。

培养计算机系统能力

什么是计算机系统能力？

• 系统观：整体性、关联性、层次性、动态性、开放性。
• 系统方法：硬软件协同及相互作用；层次结构。

如何培养计算机系统能力？

• 在教学过程中注重系统观，围绕构建计算机系统这一目标组织教学；
• 多课程联动，注重课程间知识点的有机衔接；
• 课程实验设计中注意系统的设计和实现。

怎样检验是否具备计算机系统能力？

设计和实现“自己”的计算机系统：

• 简单但完整的计算机硬件；
• 建立在硬件之上的教学操作系统；
• 在操作系统下调用经编译器编译的高级语言程序。

学习目标

掌握单CPU计算机的完整硬件组成：

• 基本工作原理；
• 内部运行机制；
• 建立完整计算机系统概念。

了解计算机系统的新技术。

达到能独立设计一台完整计算机的水平：

• 硬件、软件齐全；
• 功能基本完整。

知识和能力两方面都提高。

硬件系列：计算机结构、计算机组成、数字电路等课程区别

计算机结构（Architecture）相当于“建筑师”：

• 对程序员精确描述计算机硬件的功能；
• 对硬件工程师的最“抽象”的设计需求；
• 比如提出“设计一个指针式手表，能准确指示时刻”。

计算机组成（Organization）相当于“土木工程师”：

• 计算机体系结构的逻辑实现；
• 计算机硬件功能的集成；
• 计算机硬件性能评价；
• 计算机硬件优化；
• 比如是设计石英表还是机械表，电池发条怎么做。

数字电路（Digital Logical），相当于“砖瓦”提供者。

主要教学内容

计算机的层次结构：

• 学习计算机组成原理的基本方法。

计算机如何执行程序：

• 本课程要解决的基本问题。

运算器的功能、组成和运行原理：

• 程序的功能是如何实现的。

控制器的功能、组成和运行原理：

• 程序是如何执行的？
• 怎样能执行得快一些？

存储器及层次存储器系统。

系统如何完成输入和输出。

教学环节和学习方法

《礼记·中庸》：博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之。

只看ppt不行，要看书与资料。

考评方法

如上图，Tsinghua与我校在这方面口头上说的都很严格。只是不知道他们落实会怎样，会不会像我校一样水。

历史成绩，平均分在80~85，如果卷面成绩低于40分，直接挂；如果高于40分，基本能过。

大实验Project

如上图，五个大作业。对于第4个实验，历史表明平均30个小时可做完。

如上图，老师还是鼓励大家两人一组的。

如上图，鼓励尝试创新大作业。对于当时正听课的同学，还没有学习OS，能否尝试在那块板子上跑Ucore？对于32位新型教学计算机，创新实验达到要求者免考试。

教材和参考书

本课程教材如上图。

计算机组成

计算机里有什么？

首先看看，什么是计算机？

• 一种高速运行的电子设备；
• 用于进行数据的算术或逻辑运算；
• 可接受输入信息；
• 根据用户要求对信息进行加工；
• 输出结果。

Oxford English Dictionary：A calculating machine, esp. an automatic electronic device for performing mathematic or logical operations; freq. with defining word prefixed, as analogue, digital, electronic computer.

计算机基本组成

基础理论支撑

三大理论撑起基础：

• Turing理论；
• Shannon贡献主要在信息方法，如何编码；
• Von Neumann结构。

组成计算机的关键部件50内基本没有大的改变：

• CPU：Data Path; Controller；
• Memory；
• I/O。

如上图，这个冯诺依曼结构采用了采用了图灵机模型、二进制，实现了存储结构，体系结构上明确地提出了五大功能部件。但是，其是以数据通路为核心（输入输出都在IU上，以其为核心）；而现在计算机都是以存储为核心。

现代计算机

如上图，这么多年过去，其结构没有任何改变。但是，其性能提升在于：

• 集成电路的采用；
• 体系结构的改变（还是冯诺依曼体系结构，但是采用了流水的技术、层次存储器技术、并行技术）。

计算机运行机制

如上图：

• 数据通路（Datapath）完成算数运算，通常包括简单的寄存器；
• CPU是运算器和控制器合在一起，控制器是计算机中相当重要的一环；
• Memory指内存，存储运行时的数据；
• 输入输出在涉及外部设备；
• 五个器件在控制器的控制下协调运行。

计算机的层次结构

如上图，对计算机组成而言，重要的是硬件如何实现机器语言。

机器发展简史

古往今来

如上图，计算机发展到了第四代：超大规模集成电路。

现在的五代机可能想突破冯诺依曼体系结构，比如量子计算、光计算、生物计算。

古代和近代计算技术

中国的算盘、Blaise Pascal发明自动进位的加法机器；16世纪，Alkhowarizmi提出算法（Algorithm）概念：

• 面向计算过程设计辅助计算工具；
• 以提高计算效率为目标；
• 使用机械等方式实现；
• 为现代计算机提供了思路。

近代计算技术

1822年，Charles Babbage，差分机（Differential Engie）：当时，取对数等需要查表，很麻烦；因此提出差分机通过迭代方式求解；1833年，又提出分析机（Analytical Engine），是一个通用概念，不仅针对一种算法；他请了Ada Augusta Lovelace，第一位程序员。

但是由于分析机工艺要求过高，造不出来。

图灵机

1937年，图灵提出“通用”计算机概念，可以执行任何一个描述好的程序。能证明是否为“图灵可计算”。

存储程序又让计算机走向通用。

如上图，图灵机的串行执行概念无法被打破。

特点：

• 通用计算机（不用查表）；
• 存储程序的计算机；
• 速度有限（时间复杂性）；
• 空间有限（空间复杂性）；
• 奠定了现代计算机的理路基础。

Vannevar Bush：Memex

提出保存人类共享的知识；现在已经实现了，即互联网。

里程碑事件

第一台通用电子计算机ENIAC，5000次加法/秒，使用十进制数，20个寄存器，每个存放10位的十进制数，设计用于计算火炮的弹道。通过设置6000个开关和插头插座来编程（没有存储软件程序的地方，是用于硬件编程）。

如上图，冯诺依曼结构如上。

第一台商用小型计算机PDP-1，1957年由DEC公司生产，是第二代计算机（晶体管），18位字长，4K内存，机器周期为5微秒，总线结构，开创了计算机产业。

第一个系列计算机IBM 360，第三代计算机，科学计算和商务处理，是微程序控制器的实现者。

IBM PC机将应用普及。新型计算模式也在不断发展。

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