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系列导读本系列面向计算机相关专业的同学目标是讲清楚《计算机组成原理》这门课是什么、为什么学、怎么学。它不仅是大学期末考试的重点科目更是 408 计算机学科专业基础综合 的核心课程之一与数据结构、操作系统、计算机网络并称四大件。如果你正在准备期末或考研这个系列会陪你从 0 到 1 把这门课啃下来。一、关于五个灵魂拷问作为计算机系的你真的懂计算机吗我们每天写代码、刷网页、打游戏电脑看起来无所不能。但如果追问几个最基础的问题很多人包括刚入学的我都会愣住平常你进行批图之后的图片是如何用二进制表示对于电脑主机中的主板上的CPU 如何对二进制数进行加减乘除的如何存储这些二进制数如何从内存中取出想要的数据以及就是CPU 如何识别和执行我们写的代码程序这五个问题每一个都指向同一个答案——计算机组成原理Computer Organization。这门课研究的就是一台计算机从里到外是怎么造出来的、怎么跑起来的数据怎么表示、运算器怎么算、存储器怎么存、CPU 怎么取指执行、指令系统怎么设计……可以说上面每一个问号都对应着这门课的一到两章内容。二、首先有个整体概念什么是计算机系统在深入细节之前先建立一个最朴素的认知其实计算机系统就是硬件 软件对于硬件看得见摸得着的实体——CPU、内存、硬盘、主板、IO 设备对于软件运行在硬件之上的程序和文档——系统软件操作系统、编译器和应用软件。软硬件相互依存又逻辑等价软件的功能可以用硬件来实现如专用芯片硬件的功能也可以用软件来模拟。而组成原理重点研究的就是硬件一侧的结构与工作原理。三、一条时间线看懂计算机的发展要理解一台现代计算机为什么长成现在这样最好的方式就是看它怎么一步步演化来的。计算机的发展史本质上就是硬件器件不断微型化、性能不断指数级提升的历史通常划分为四个时代第一代电子管时代1946–1950s 后期1946 年诞生的 ENIAC 是这一代的标志占地约 170 平方米、重 30 吨、耗电 150 千瓦、每秒仅能完成约 5000 次加法。它使用约 18000 个电子管作为基本元件电子管体积大、功耗高、易损坏但用电子开关代替机械部件这个思想奠定了现代计算机的基础。同一时期冯·诺依曼提出了存储程序原理也称冯·诺依曼体系结构程序和数据一样存放在存储器中计算机按顺序自动取指执行——这一思想至今仍是绝大多数计算机的工作方式。第二代晶体管时代1950s 后期–1960s 中期晶体管取代电子管体积缩小到原来的几十分之一功耗和故障率大幅下降可靠性显著提高。这一时期的计算机开始从实验室走向商业应用出现了高级程序设计语言如 FORTRAN和批处理操作系统软件产业由此萌芽。第三代中小规模集成电路时代1960s 中期–1970s 初集成电路IC把多个晶体管集成到一小块硅片上计算机体积进一步缩小、成本进一步下降同时系列机和兼容机的概念出现操作系统的功能日趋成熟计算机开始进入各行各业。第四代大规模、超大规模集成电路时代1971 至今一个芯片上集成的晶体管数量从几千、几万发展到今天的数百亿摩尔定律集成度约每 18–24 个月翻一番。1971 年 Intel 4004 微处理器的问世让 CPU 集成到单块芯片上个人计算机PC时代正式开启。这一阶段还诞生了并行处理、流水线、缓存等一系列提升性能的关键技术——而这些正是组成原理课程后半部分的重点。目前的发展趋势两极分化更微型、多用途嵌入式、移动设备、物联网芯片算力无处不在更巨型、超高速超级计算机、大规模并行系统追求极致算力。与此同时软件也在同步发展从机器语言、汇编语言到高级语言从批处理到分时、实时操作系统软硬件互相推动才构成了今天丰富多彩的计算机世界。 给考试画个重点四个时代的划分依据是电子器件电子管→晶体管→中小规模集成电路→大规模/超大规模集成电路这是期末和 408 的高频考点也是最容易混淆的地方。四、为什么这门课值得单独开一个系列《计算机组成原理》在计算机学科的知识体系中处于承上启下的位置理解编程的底层 为什么 int 会溢出为什么指针就是内存地址打通其他三门 408 课程 操作系统的内存管理、计算机网络的硬件接口都建立在组原之上应对面试与工程实践 缓存、流水线、存储层次是后端/系统岗的高频问题拿期末学分 备战考研 期末重点课、408 必考分值占比高接下来的系列文章将沿着本文开篇的五个灵魂拷问依次展开数据的表示与运算——二进制、码制、定点数与浮点数、算术逻辑单元ALU存储系统——存储器层次结构、主存与 Cache、虚拟存储指令系统——指令格式、寻址方式、CISC 与 RISC中央处理器CPU——数据通路、控制器、流水线技术总线与输入输出系统——总线仲裁、中断、DMA每一篇都会遵循先回答一个直觉问题再给出考试要点的风格尽量做到零基础可读、应试够用。五、写在最后计算机不是魔法它只是一台能非常快地做二进制运算的机器。这门课的全部内容都是为了让这台机器算得对、存得下、取得快、跑得稳。从下一篇开始我们就从最小的单元——二进制与数据表示——一步步把整台计算机拼出来。如果你也在准备期末或 408欢迎点个关注系列持续更新。有任何问题欢迎在评论区交流我们一起把这门最硬的课啃下来 计算机组成原理 | 开篇：从“五个灵魂拷问“到一整台计算机
系列导读本系列面向计算机相关专业的同学目标是讲清楚《计算机组成原理》这门课是什么、为什么学、怎么学。它不仅是大学期末考试的重点科目更是 408 计算机学科专业基础综合 的核心课程之一与数据结构、操作系统、计算机网络并称四大件。如果你正在准备期末或考研这个系列会陪你从 0 到 1 把这门课啃下来。一、关于五个灵魂拷问作为计算机系的你真的懂计算机吗我们每天写代码、刷网页、打游戏电脑看起来无所不能。但如果追问几个最基础的问题很多人包括刚入学的我都会愣住平常你进行批图之后的图片是如何用二进制表示对于电脑主机中的主板上的CPU 如何对二进制数进行加减乘除的如何存储这些二进制数如何从内存中取出想要的数据以及就是CPU 如何识别和执行我们写的代码程序这五个问题每一个都指向同一个答案——计算机组成原理Computer Organization。这门课研究的就是一台计算机从里到外是怎么造出来的、怎么跑起来的数据怎么表示、运算器怎么算、存储器怎么存、CPU 怎么取指执行、指令系统怎么设计……可以说上面每一个问号都对应着这门课的一到两章内容。二、首先有个整体概念什么是计算机系统在深入细节之前先建立一个最朴素的认知其实计算机系统就是硬件 软件对于硬件看得见摸得着的实体——CPU、内存、硬盘、主板、IO 设备对于软件运行在硬件之上的程序和文档——系统软件操作系统、编译器和应用软件。软硬件相互依存又逻辑等价软件的功能可以用硬件来实现如专用芯片硬件的功能也可以用软件来模拟。而组成原理重点研究的就是硬件一侧的结构与工作原理。三、一条时间线看懂计算机的发展要理解一台现代计算机为什么长成现在这样最好的方式就是看它怎么一步步演化来的。计算机的发展史本质上就是硬件器件不断微型化、性能不断指数级提升的历史通常划分为四个时代第一代电子管时代1946–1950s 后期1946 年诞生的 ENIAC 是这一代的标志占地约 170 平方米、重 30 吨、耗电 150 千瓦、每秒仅能完成约 5000 次加法。它使用约 18000 个电子管作为基本元件电子管体积大、功耗高、易损坏但用电子开关代替机械部件这个思想奠定了现代计算机的基础。同一时期冯·诺依曼提出了存储程序原理也称冯·诺依曼体系结构程序和数据一样存放在存储器中计算机按顺序自动取指执行——这一思想至今仍是绝大多数计算机的工作方式。第二代晶体管时代1950s 后期–1960s 中期晶体管取代电子管体积缩小到原来的几十分之一功耗和故障率大幅下降可靠性显著提高。这一时期的计算机开始从实验室走向商业应用出现了高级程序设计语言如 FORTRAN和批处理操作系统软件产业由此萌芽。第三代中小规模集成电路时代1960s 中期–1970s 初集成电路IC把多个晶体管集成到一小块硅片上计算机体积进一步缩小、成本进一步下降同时系列机和兼容机的概念出现操作系统的功能日趋成熟计算机开始进入各行各业。第四代大规模、超大规模集成电路时代1971 至今一个芯片上集成的晶体管数量从几千、几万发展到今天的数百亿摩尔定律集成度约每 18–24 个月翻一番。1971 年 Intel 4004 微处理器的问世让 CPU 集成到单块芯片上个人计算机PC时代正式开启。这一阶段还诞生了并行处理、流水线、缓存等一系列提升性能的关键技术——而这些正是组成原理课程后半部分的重点。目前的发展趋势两极分化更微型、多用途嵌入式、移动设备、物联网芯片算力无处不在更巨型、超高速超级计算机、大规模并行系统追求极致算力。与此同时软件也在同步发展从机器语言、汇编语言到高级语言从批处理到分时、实时操作系统软硬件互相推动才构成了今天丰富多彩的计算机世界。 给考试画个重点四个时代的划分依据是电子器件电子管→晶体管→中小规模集成电路→大规模/超大规模集成电路这是期末和 408 的高频考点也是最容易混淆的地方。四、为什么这门课值得单独开一个系列《计算机组成原理》在计算机学科的知识体系中处于承上启下的位置理解编程的底层 为什么 int 会溢出为什么指针就是内存地址打通其他三门 408 课程 操作系统的内存管理、计算机网络的硬件接口都建立在组原之上应对面试与工程实践 缓存、流水线、存储层次是后端/系统岗的高频问题拿期末学分 备战考研 期末重点课、408 必考分值占比高接下来的系列文章将沿着本文开篇的五个灵魂拷问依次展开数据的表示与运算——二进制、码制、定点数与浮点数、算术逻辑单元ALU存储系统——存储器层次结构、主存与 Cache、虚拟存储指令系统——指令格式、寻址方式、CISC 与 RISC中央处理器CPU——数据通路、控制器、流水线技术总线与输入输出系统——总线仲裁、中断、DMA每一篇都会遵循先回答一个直觉问题再给出考试要点的风格尽量做到零基础可读、应试够用。五、写在最后计算机不是魔法它只是一台能非常快地做二进制运算的机器。这门课的全部内容都是为了让这台机器算得对、存得下、取得快、跑得稳。从下一篇开始我们就从最小的单元——二进制与数据表示——一步步把整台计算机拼出来。如果你也在准备期末或 408欢迎点个关注系列持续更新。有任何问题欢迎在评论区交流我们一起把这门最硬的课啃下来