1.0 课程导学

计算机组成原理在计算机课程体系中有承上启下的作用：

计算机组成原理主要介绍了运算器、控制器、存储器结构、工作原理、设计方法及互连构成整机的相关技术。

1.1 冯诺依曼结构原理及层次分析

1. 冯诺依曼体系工作原理
2. 计算机的层次结构

冯诺依曼 ：计算机之父，他提出的计算机设计方案至今依然是设计者遵循的方案。（yyds！）

一 、冯诺依曼体系工作原理（两大部分构成）：

存储程序：（重点包括存储系统的构建与快速访问）
将程序存放在计算机的存储器中， 只有将解决问题的程序放入主存之后才能供CPU访问；

程序控制：（重点包括指令系统、控制器设计等）
将存放在主存中的程序，按照指令的地址访存并取出该指令，经过译码之后产生指令在执行过程中所需要的所有控制信号，完成该指令的功能；

存储系统和控制器的设计是本课程的重难点。

冯诺依曼计算机的组成（硬件 + 软件）

(1)硬件系统：

主机： CPU （运算器 + 控制器） + 内存
外设： 输入设备 + 输出设备 + 外存储器
总线： 地址线 + 数据线 + 控制线

1. 硬件系统 - 运算器

运算包括： 算术运算 + 逻辑运算

基本结构包括：ALU（算术逻辑运算单元） + 寄存器 + 连接通路

2. 硬件系统 - 控制器

功能：能产生指令执行过程中所需要的所有控制信号，控制相关功能部件执行相应操作；

控制信号的形式： 电平信号、脉冲信号

产生信号的依据：依据不同的指令、不同的状态、不同的时序…

控制信号的产生方式：微程序、 硬布线

3. 硬件系统 - 存储器

主要包含地址总线、数据总线、存储体等基本结构。

功能：存储原程序，原数据、运算中间结果

工作方式： 读 / 写

工作原理：按照地址访问， 读 / 写相关数据

访问存储器的容量与对应地址线之间的关系：

$1K -> 10 （2^{10}）$
$1M -> 20 （2^{20}）$
$1G -> 30 （2^{30}）$

4. 硬件系统 - 输入输出设备

输入设备：向计算机输入数据（键盘 + 鼠标 + 网卡 + 扫描仪等）
输出设备：输出处理结果（显示器 + 声卡 + 网卡 + 打印机等）

部分设备可能既是输入设备又是输出设备。

(2)软件系统

软件是程序和数据的结合（二进制表示的信息）

软件的核心： 算法 ！（算法蒟蒻狂喜！）

软件的分类：

系统软件： 如操作系统、 网络系统、 编译系统等

支持软件： 如开发工具、 界面工具等

应用软件： 如社交软件、游戏等

硬件与软件之间的关系：相互依存、 逻辑等效性、协同发展

二、 计算机的层次结构：

1) 不同层次的区别

1 .不同用户处在不同层次：
当学C语言的时候我们在高级语言层；
而现在学习计算机组成原理的时候， 我们在指令集架构层 和 微代码层；

2 .不同层次的属性都不同， 越底层越难；（害怕）

3 .不同层次使用的工具不同;

4 .不同层次的代码效率不同， 越底层效率越高；

2）一些概念

透明性概念：
本来存在的事物或者属性，从某个角度去看， 却好像不存在；
例如硬件的特性对高级语言使用者而言就像是透明的；

系统观：
当硬件结构发生变化时可能对软件产生影响；
不同类型的软件会对硬件有不同的要求；
编程的CPU相关性，编程应查阅对应CPU的编程手册；

软硬件的分界线：(看图示的蓝色分界线)
指令集架构层为分界线，分界线之上为软件， 之下为硬件；
分界线是软硬件的接口，正是基于这个接口， 我们才可以利用指令去操作计算机硬件；
指令格式和指令设计同硬件相关联；