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计算机组成原理¶
原始教程链接: https://www.bilibili.com/video/BV1t4411e7LH/?vd_source=2d5bdee7ea59486ed4aa4a9b10020224
1.1 计算机系统简介课程简介¶
课程来源：哔哩哔哩-哈尔滨工业大学
集成后文档比较大，加载图片可能服务器返回 503 错误，所以可以点击链接访问原始网页：https://cloud.seatable.cn/dtable/external-links/621babd7e22b4ceb88ec/
计算机组成原理 = 计算机 + 组成 + 原理
计算机：数字电子计算机
组成：计算机硬件系统的逻辑实现（不是物理实现，数字电路门电路触发器）
原理：基本运算的操作原理，基本部件和单元的设计思想（硬件层面）。这里是一般性原理，不针对某种特定机型。自顶向下方式讲解。
教材：计算机组成原理（唐朔飞）
1.1 计算机系统简介 1.1-a¶
这一章是本书的概况，本书主要研究计算机的组成（CPU + 存储 + IO），每一个部分是什么功能等
数字计算机型号规模各异，可能有小型的平板，或者大型的超级计算机。这里只分析基本的组成原理，所以对不同计算机进行抽象（提取公共主要的功能，忽略外观和细节的不同）
计算机系统 = 软件（系统软件+应用软件） + 硬件（IO，CPU，硬盘等）
1.1 计算机系统简介1.1-b¶
计算机系统的层级结构：
微指令系统-机器语言-操作系统-汇编语言-高级语言
计算机体系结构：计算机中是否有乘法指令（有哪些指令）
计算机组成：计算机如何实现乘法指令（具体指令怎么实现）
1.2 计算机的基本组成1.2-a1¶
冯·诺依曼计算机的特点
1、计算机有5部分组成：运算器，控制器，存储器，输入设备、输出设备
2、指令和数据同等重要，存放在存储器，可以按照地址寻访
3、指令和数据是二进制表示
4、指令 = 操作码 + 地址码（例如加2，就是加操作，和2所在的地址码）
5、存储程序（关键）：将程序存放在计算机存储器中，然后按存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序结束执行。
6、以运算器为中心（输入、输出、控制、存储都是和运算器相连）
1.2 计算机的基本组成1.2-a2¶
冯·诺依曼计算机的改进
可以改成存储器为中心的结构，然后进一步改进成现代计算机结构
运算器（ALU）+控制器（CU）= CPU 中央处理器
遇到复杂的问题或者系统，如何进行设计？
参考：复杂性系统的管理方法（3Y）：
1、层次化：一个复杂的应用，自顶向下，分成多个层级，不同的模块
2、模块化：每一个模块有明确的功能和接口
3、规范化：不同模块的接口和规范统一（例如全部的内存条尺寸，typeC）
1.2 计算机的基本组成1.2-b¶
实际案例
思考：一个实际问题能否使用计算机解决？如果一个问题是一个函数，在定义域上，每一个值都有一个唯一的解，那么这个问题就是可以解答的问题。
一个实际问题怎样使用计算机解决？
1、建立数学模型（y = fn(x)）
2、确定计算方法 sinx 的泰勒展开，不能直接计算三角函数，那么使用幂指数间接计算三角函数，一直到需要的精度满足需求。
3、编程实现-运算的全部步骤
例子：ax ^2 + bx + c 如何实现？
从存储中拿出数字，执行加法运算，执行乘法运算，放入内存等都是一个步骤
不同算法的实现，对于计算复杂度和操作数都不同，例如优化成 (ax + b)x + c 这样可以减少很多计算量
指令格式：指令格式用二进制表示
例如：取一个数字： [a] ->ACC，把a放在内存中；还有类似的存数、加减乘除、打印、停机等。
具体的程序清单：包括上面的指令+数据
1.2 计算机的基本组成1.2-c-存储器¶
存储器的组成：
主存储器 = 存储体 + MAR + MDR
存储体（大楼，主要存储部分）——存储单元（房间，存放一串二进制代码，每个存储单元都有一个地址）——存储元件（某个卧室是否空，对应物理元器件 0-1）
MAR：存储器地址寄存器（存储单元的个数）
MDR：存储器数据寄存器（存储字长）
寄存器的功能是存储二进制代码，它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。
1.2 计算机的基本组成1.2-d-运算器¶
运算器是什么？运算器如何工作？
1、运算器的基本组成：ACC + ALU + X + MQ
2、加减乘除法分别分析
加减法：ACC 存放已有的数据，X 存放加的数字，在 ALU 计算完毕后，存放到 ACC 中。
乘法：乘法后位数增加，需要 MQ 寄存器。ACC 是已有数据，MQ 和 X 分别存放两个数字。ALU 计算后，将计算的结果高位放在 ACC 中，低位放在 MQ 中。
除法：除法计算后有商和余数。那么商放在 MQ 中，余数放在 ACC 中。
1.2 计算机的基本组成1.2-e-控制器¶
控制器的基本组成：
如何完成一条指令？取指令——分析指令（两个步骤是并行还是串行等）——执行指令
- 取指令（PC）这里存放指令的地址，每次取出一个，指针指向下一个指令的地址
- 分析指令（IR）这里存放当前指令的地址，分析指令执行顺序，是否并行执行等
- 执行指令（CU）
存储器、运算器、控制器构成了什么？以一条指令在主机上的执行过程为例（取数指令，存数指令，计算函数指令）分析这个问题
1.3 计算机硬件的主要技术指标¶
如何购买计算机？
1、分析用途：个人看剧（入门PC），还是打游戏（显卡），还是实验室工作站（多核CPU+工作站）？
2、分析资金，看实际资金能满足需求
3、计算机定性要求：计算快（处理速度快）；存的多（内存容量大）
计算机硬件的主要指标：
1、机器字长（CPU 每次计算能处理的数字位数），和 CPU 的寄存器有关
2、运算速度：每秒运行多少次运算？CPU 主频，CPU 核数（固定的速度），执行某个程序的耗时（程序中运算的加权平均，不同程序需要的计算能力不同）
3、存储容量：存放二进制信息的总位数，主存（MAR + MDR）+辅助存储（硬盘，80G）
2.1 计算机的发展史-a1¶
本章不重要
不同时代计算机的主要的硬件，从电子管晶体管到集成电路，然后到超大规模的集成电路
不同计算机的主要结构，有的是根据计算组件为核心
IBM的system360是一个计算机系统，包括不同计算能力的集群
2.1 计算机的发展史-a2¶
微型计算机的出现和发展
微处理器的出现发展（一片集成电路组成的处理器）
摩尔定律，计算机芯片的计算能力和时间呈指数关系的增长
每18个月计算机处理器的性能就会翻一翻
2.1 计算机的发展史-b¶
计算机软件技术的兴起和发展
2.2-2.3 计算机的应用和展望¶
计算机的主要应用在
科学计算和数据处理
工业控制和实时控制
网络技术（电子商务，网络教育，购物）
人工智能
3.1 总线的基本概念¶
为什么要用总线？各个部件需要进行数据交流
总线是连接各个主要部件的数据传输线路，就是连接 CPU IO 主存等的通信线路
总线可以并行传输数据，也可以单行传输数据。因为主板较小，所以并行传输数据（电流）可能存在信号的干扰。不同计算机使用不同的布线方式。
因为硬件很多，每两个部件两两相连需要很多线路，而且不方便扩展，所以需要科学的设计总线
总线分类：
1、单一总线：所有部件连接到一根总线上。优点是简单，缺点是可能两个设备通信会占用总线。
2、以CPU为核心的总线：CPU 单独和其他设备连接一条总线，便于CPU更方便数据处理和交互
3、以主存为核心的总线：主存和CPU单独增加一个总线，便于数据的读写和存储
5.6 DMA方式5.6-a1¶
DMA
直接内存访问（DMA，Direct Memory Access）是一些计算机总线架构提供的功能，它能使数据从附加设备（如磁盘驱动器）直接发送到计算机主板的内存上。——不通过CPU的调度，IO 直接发送数据到计算机内存上。