返回：0500 计算机组成原理总目录 · 下一章：0502 Chap2 数据的表示、运算与校验

1、学习目标

第一章先建立整机视角：计算机不是单个 CPU，也不是单个程序，而是硬件、指令、数据、存储、I/O 和软件层次共同组成的系统。

模块 要掌握的内容
计算机概念 自动、高速、可编程、通用信息处理机器
冯诺依曼体系 存储程序、二进制、五大部件
系统层次 硬件、微体系结构、指令系统、操作系统、语言与应用
硬件组织 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
性能指标 字长、主频、CPI、MIPS、带宽、吞吐率

2、计算机是什么

从组成原理角度看，计算机是能够自动执行程序的信息处理系统。它的关键特点是：

  1. 信息用二进制表示。
  2. 程序和数据都存放在存储器中。
  3. 控制器按指令序列自动取指和执行。
  4. 运算器完成算术与逻辑运算。
  5. 输入输出设备负责与外部世界交互。

这门课关心的不是“会不会使用计算机”，而是“机器如何把指令一步步执行出来”。

3、冯诺依曼体系

冯诺依曼体系的核心是存储程序思想：

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程序以二进制形式存放在存储器中，CPU 自动按地址取指并执行。

五大部件：

部件 功能
运算器 执行算术和逻辑运算
控制器 取指、译码、产生控制信号
存储器 存放程序和数据
输入设备 把外部信息送入计算机
输出设备 把处理结果送出计算机

现代计算机已经有流水线、多核、Cache、虚拟存储等复杂结构，但“存储程序 + 指令驱动”的基本思想仍然是主线。

4、硬件系统结构

最简单的硬件关系可以理解为：

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CPU <-> 主存 <-> I/O 子系统 <-> 外设

CPU 内部又可以拆成：

子部件 说明
ALU 算术逻辑单元
寄存器组 临时保存操作数、地址和结果
控制单元 产生时序和控制信号
PC 保存下一条指令地址
IR 保存当前指令

学习时要把“指令流”和“数据流”分清楚：指令告诉机器做什么，数据是被处理的对象。

5、计算机系统层次

计算机系统可以分层理解：

层次 说明
数字逻辑层 门电路、触发器、组合逻辑、时序逻辑
微体系结构层 数据通路、控制器、流水线
指令系统层 机器指令、寄存器、寻址方式
操作系统层 进程、内存、文件、I/O 抽象
汇编/语言层 汇编、C/C++、编译器
应用层 具体软件和服务

组成原理主要位于数字逻辑之上、操作系统之下。它解释高级语言程序最终如何落到指令和硬件部件上。

6、软硬件逻辑等价性

很多功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现：

功能 硬件实现 软件实现
乘法 乘法器 加法循环或库函数
浮点运算 FPU 软件模拟
加密 专用加速器 通用 CPU 指令
图像处理 GPU CPU 程序

硬件快但成本高、灵活性低；软件灵活但可能较慢。计算机系统设计本质上一直在做这种权衡。

7、性能评价指标

常见指标：

指标 含义
字长 CPU 一次能处理的二进制位数
主频 时钟频率，单位 Hz
CPI 每条指令平均需要多少时钟周期
IPC 每周期平均执行多少条指令
MIPS 每秒百万条指令
FLOPS 每秒浮点运算次数
带宽 单位时间传输的数据量
延迟 完成一次操作所需时间
吞吐率 单位时间完成的任务数量

CPU 执行时间常用公式：

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CPU Time = Instruction Count * CPI * Clock Cycle Time

或者：

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CPU Time = Instruction Count * CPI / Clock Rate

这条公式很重要，因为性能不是只由主频决定。指令条数、CPI、编译器、Cache 命中率都会影响最终时间。

8、带宽与容量

存储和 I/O 常用两类指标：

指标 关注点
容量 能存多少数据
带宽 单位时间能传多少数据
延迟 第一个数据多久能到
访问时间 一次读写完整耗时

例子：

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磁盘容量大，但延迟高；
Cache 容量小，但访问快；
内存介于二者之间。

这也是后面存储层次结构的基础。

9、复盘时的整机执行链

可以用一条简单链路复盘整机：

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程序加载到内存
PC 给出指令地址
CPU 取指
控制器译码
寄存器取操作数
ALU 运算
访问存储器或 I/O
写回结果
PC 更新到下一条指令

后面的 CPU、存储、I/O 都是在展开这条链路中的某一段。

10、易错点

易错点 修正
主频越高性能一定越好 还要看 CPI、指令数和存储系统
把 CPU 当作整台计算机 计算机还包括存储和 I/O
混淆延迟和带宽 延迟是单次等待，带宽是单位时间吞吐
只背五大部件 要能说出指令如何流经这些部件
软件和硬件割裂 很多功能有软硬件两种实现

11、复盘清单

检查项 状态
能解释存储程序思想 待复盘
能画出冯诺依曼五大部件 待复盘
能说明计算机系统层次结构 待复盘
能写出 CPU 时间公式 待复盘
能区分延迟、带宽和吞吐率 待复盘
能按执行链描述一条指令的生命周期 待复盘