【计算机组成｜第一章】

课程链接：北京大学陆俊林老师的计算机组成原理课

1. 电子计算机的兴起

• 原因：二战对计算能力的需求
• 世界上第一台通用电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And
  Computer）：时间：1946；地点：美国宾夕法尼亚大学
• ABC（Atanasoff- Berry-Computer）： 时间：1939；地点：美国艾奥瓦州立大学
• 存储程序式计算机 EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）：实现存储程序概念，大幅提升了任务效率；指令和数据采用二进制，极大简化了逻辑线路；由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备这五个基本部分组成
• 第一台使用的存储程序式计算机 EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator）：时间：1949年；地点：英国剑桥大学
• UNIVAC（UNIVersal Automatic Computer）：交付美国人口普查局，在准确与爆了美国总统选举结果后一夜成名；开启了商用计算机的时代
• 1964，大型计算机的经典：IBM S/360
• 1964，第一台超级计算机：CDC6600
• 1965，小型计算机的经典：PDP-8
• 1975，第一台微型计算机：Altair8800
• 1977，微型计算机经典：Apple II
• 1981，微型计算机经典：IBM PC 5150

2. 冯诺依曼结构的要点

• 两个重要设计思想：1. 存储程序，而不是开关连线；2. 二进制，而不是十进制
• 计算机的五个部分：运算器（CA，central arithmetical）、控制器（CC，central control）、存储器（M，memory）、输入设备（I，input）、输出设备（O，output）
• 存储程序的概念：数据和程序均以二进制代码形式不加区分地存放在存储器中，存放位置由存储器的地址指定；计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以执行
• 冯诺依曼结构的核心：冯诺依曼结构的运算器CA和控制器CC合称C，相当于现代计算机的CPU；冯诺依曼结构的存储器M，相当于现代计算机的主存储器（主存、内存）；CPU和主存储器通过系统总线连接
• 主存的组织形式：地址是每个存储单元对应的序号，内容是存储单元中存放的信息，一般一个存储单元就是一个字节，即8个二进制位
  

3. 冯诺依曼的小故事

• 计算机执行一条指令的主要步骤：1. 取指（fetch），2. 译码（decode），3. 执行（execute），4. 回写（write-back）
• 餐馆厨师做菜的主要步骤：1. 取任务单（并更新下张任务单的位置），2. 分析任务（方法、原料位置、成品盛放），3. 执行任务（取原料，按方法做），4. 保存结果（按要求存放），5. 取任务单（重复上述过程）
  

4. 计算机结构的简化模型

• 内部总线用于在CPU内部各个部件之间传递数据，例如将数据从R0传送到X

5. 计算机执行指令的过程

• 取指：1. 控制器将指令的地址送往存储器；2. 存储器按给定的地址读出指令内容，送回控制器（具体过程：1. PC-指令->MAR 2. MAR-指令->地址总线，控制电路-Read->控制总线 3. 地址总线-指令->地址译码器，控制总线-Read->控制逻辑 4. 存储器-地址译码器对应的内容（指令）->MDR 5. 控制逻辑-Ready-控制电路 6. MDR-指令->保存 7. MDR-指令->IR 8. PC更新为下一条指令的地址）
• 译码：1. 控制器分析指令的操作性质；2. 控制器向有关部件发出指令所需的控制信号（具体过程：1. IR-指令->指令译码（假设为Add，CPU的R0，存储器的[0110]） 2. 控制电路-控制信号->存储器对应部件）
• 执行：1. 控制器从通用寄存器或存储器取出操作数；2. 控制器命令运算器对操作数进行指令规定的运算（具体过程：1. 指令译码-指令->MAR，2. 类似于取指中的步骤2-6，3. MDR-数据->Y，R0-数据->X 4. ALU-X和Y->Z）
• 回写：将运算结果写入通用寄存器或存储器（具体过程：Z-控制电路给出相应信号-R0）
• 继续执行下一条指令

6. 计算机输入和输出

7. 冯诺依曼结构和具体实现

• 基本输入输出系统 BIOS（Basic Input Output System）是一组固化到计算机内主板上一个 ROM 芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序，还包括开机后自检程序和系统自启动程序。除此以外，它还可从 CMOS 中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。简单来说，BIOS 是计算机启动时加载的第一个软件，BIOS 的设置直接关系到电脑是否可以正常启动，并影响到之后的使用效率。Windows 操作系统，也是在 BIOS 的引导下进行工作的。
  
  红色：传输压力大的通道；绿色：传输压力相对较小的通道
  
  
  
• 计算机性能的增长：1946，ENIAC每秒5千次定点加法运算；2013年，天河2号每秒3.3亿亿次浮点运算。若仅用运算次数进行非常粗略的比较，这67年里，性能增长超过6万亿倍（约为2的23次方），恰好相当于每18个月翻一番