课程介绍

理论：作业40%，期末60% 实验课：1学分

课程内容：

  • ch2-4 CPU
  • ch5 存储器
  • ch6 外部设备
  • ch7 总线

1.1 引言

计算机简史

计算模型：图灵机模型，可计算计算机。 图灵机的结构：无限长的纸带+读写头+状态寄存器（运行/终止）+指令集

物理器件：二极管、晶体管 (Intel) 香农：二值数字电路 第一台电子计算机（ENIAC）

大规模集成：Jack 集成电路；Intel 微处理器4004 摩尔定律（每1.5年，芯片晶体管数目翻倍）

存储程序： ENIAC 没有存储介质 冯·诺依曼：存储程序原理（有存储器，指令和数据以二进制存储）

操作系统： 1940s前没有操作系统 1964，IBM 360 大型机，OS/360 操作系统。 功能：管理硬件、软件资源

互联网：

多媒体：多模态

人工智能：计算机能否像人一样思考 1950 图灵测试：人与机器问答而无法分辨。 1996 IBM 深蓝 战胜象棋棋王 2011 沃森 2016 AlphaGo，战胜李世石、柯洁 Chatgpt, deepseek

第1章 计算机抽象及相关技术

1.1 引言

1.1.1 计算应用的分类及其特性

计算机的分类：

  • 个人计算机：单个用户，价格低廉，通常运行第三方软件
  • 服务器：为多用户运行使用 、执行大负载任务、常为需要加以定制、故障恢复代价高
  • 超级计算机：高端服务器、有上万个处理器组成，用于高端科学计算和工程计算
  • 嵌入式计算机：嵌入其他设备的计算机、运行预定义程序、对成本功耗可靠性要求高

1.1.2 欢迎来到后 PC 时代

  • 个人移动设备(PMD) 替代 PC
  • 云计算 替代传统服务器

1.1.3 你能从本书学到什么

硬软件组成部分

  • 算法
  • 编程语言、编译器、体系结构
  • 处理器和存储系统
  • IO系统（硬件和操作系统）

1.3 程序表象之下

硬软件层次结构：硬件 → 系统软件 → 应用软件，层层隐藏，上一层隐藏下一层（抽象）

系统软件：

  • 操作系统：为了使程序更好地在计算机上运行的管理计算机资源的监控程序
  • 编译器：将高级语言翻译为汇编语言的程序
  • 汇编器：将汇编语言翻译为机器语言的程序 硬件：CPU、主存、IO、数字系统、电路设计

从高级语言到硬件语言

高级语言 →(编译器) 汇编语言 →(汇编器) 机器语言 →(连接 include) 可执行文件 →(从磁盘读到寄存器, 主存) → 逐条执行加载到内存中的二进制机器指令流

（PPT额外补充） $\bigstar$ 指令的执行过程（重复操作，直至结束）：

  • 取指阶段：读取指令，指向下一条要执行的指令
  • 执行阶段：对指令译码，执行译码好的指令

常见汇编语言：

  • MOV A VAL：将 VAL 的值移动到 A 寄存器中

  • ADD A VAL：将 VAL 的值和 A 的值相加并放到 A 中

  • HLT：停止 CPU 执行

  • PC (Program Counter)：程序计数器，指向下一个要执行的指令的内存地址

  • IR (Instruction Register)：指令寄存器，将当前指令内容存储

  • AR (Address Register)：地址寄存器，当前指令的内存地址

  • DR (Data Register)：数据寄存器

  • AB (Address Bus), DB (Data Bus)：地址总线（总线到存储器单向）、数据总线（总线和存储器双向）

  • ID (Instruction Decoder)：指令译码器，解释当前指令是做什么的 存储器是线性内存空间，从 0 开始编址，每条指令 2 字节 指令执行过程：

  1. 初始，PC 从 00H 开始，传送到 AR，PC 指向 02H
  2. 取出的指令传送到 IR，又由 ID 解释指令执行，将数据传到 DR
  3. 在内部执行相应操作，然后重复下一条指令执行

1.4 机箱之内的硬件

ENIAC：电子管、靠电线重新连接来实现编写程序。

$\bigstar$ 存储程序原理：将程序如同数据，将二进制存储在机器中，让计算机自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行。 存储程序思想：

  • 程序是指令的有序集合
  • …
  • ALU执行指令，取出数据，得出结果

RAM →(数据) CPU；CPU →(已处理的数据) RAM

冯诺依曼结构：

  • 输入设备、输出设备、运算器(运算器+寄存器)、控制器(指挥协调)、存储器(记忆元件+电路)。
  • 之间有控制流、数据流
  • 用二进制表示 现代计算机中，运算器和存储器包含在 CPU 里面

$\bigstar$ 冯诺依曼计算机特点：

  • 采用二进制表示机器指令和数据
  • 硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成
  • 程序和数据存储在存储器中，逐条指令执行
  • 操作时根据指令执行顺序，从存储器中取出指令和数据，有控制器解释执行，运算器完成运算

非冯诺依曼模型：神经网络、基图算法、量子计算

电源、风扇、主板、内存条、硬盘、光驱

CPU

处理器，Central Processing Unit 功能：执行程序 组成：

  • 控制器（译码指令）
  • 数据通路（执行指令，核心 ALU 计算逻辑单元 +Register 寄存器）

常用寄存器：32个

  • GRS (General Register Set)：存放操作数和中间结果，以加快存储速度
  • PC (Program Counter)：程序计数器，指向下一个要执行的指令的内存地址
  • IR (Instruction Register)：指令寄存器，将当前指令内容存储

存储器

功能：存储程序和数据 组成：层次化结构

  • 内存 (Primary Memory)：
    • Cache 高速缓存：在 CPU 内，存放最近使用的数据和指令，三级缓存
    • MM 主存：存储被启动的程序中的部分程序和指令
  • 外存 (Secondary ~)：磁盘、光盘、闪存
  • 层次结构：
    • 寄存器 → 高速缓存 → 主存 → 硬盘/磁盘 → 磁带/光盘
    • 存储空间越来越大，访问频率越来越低，速度/延迟越来越慢，成本越来越便宜

总线

连接各个功能组件

1.6 性能

基本指标：速度、功耗、制造成本

两种性能：

  • 响应时间 / 完成单个任务的时间：$响应时间 = 执行时间 + 等待时间$
  • 单位时间完成的任务量：吞吐率、带宽 在不同领域、应用、层次结构对不同性能的侧重不同