计算机系统概论

计算机系统概论

本节内容

• 为什么要学计算机组成原理

• 课程学习的主要内容

• 如何学好计算机组成原理

---

为什么要学习计算机组成原理

计算机组成原理在计算机体系课程中的地位：

1. 计算机组成原理是一门核心专业基础课

课程内容：

• 运算器

• 控制器

• 存储器

  • 存储器的结构

  • 工作原理

  • 设计方法及互连

这些构成整机的有关技术

2. 后PC时代技术发展的迫切需求 - 专业地位更加凸显

两个关键领域：

• 移动计算对信息智能终端提出了高效、准确、及时等要求

• 多核技术对计算系统微体系结构、系统软件、编程环境提出了软、硬件深度协同的要求

结论:

时代需要大量的"懂软件的硬件工程师"、"懂硬件的软件工程师"、"懂安全的工程师" --- 系统级安全工程师(T型人才)

---

课程学习的主要内容

计算机系统概述

• 冯诺依曼结构计算机工作原理

• 计算机系统层次结构

• 计算机系统性能评价

数据表示

• 机器数及特点

• 定点数与浮点数据表示

• 数据校验基本原理

• 奇偶校验及其实现

• CRC校验及其实现

• 海明校验及其实现

运算方法与运算器

• 补码加/减运算符

• 溢出检测

• 补码加/减运算器设计

• 补码一位乘法

• 乘法运算器设计

• 补码一位除法

• 除法运算器设计

• 浮点数加减运算

存储系统

• 存储系统层次结构

• 主存的工作原理及数据组织

• 静态存储器工作原理

• 动态存储器工作原理

• 存储器扩展

• 多体交叉存储器

• Cache的基本原理

• 全相联映射

• 直接映射

• 组相联映射

• 替换算法

• Cache例题选讲(一)

• 页式虚拟存储器的工作原理

• TLB的工作原理

• 磁盘工作原理

• RAID技术

指令系统

• 指令系统概述及指令格式

• 指令的寻址方式

• 操作数寻址方式

• 数据寻址方式特点对比分析

• 指令格式设计

• MIPS指令系统简介

CPU

• CPU的组成与功能

• 数据通路

• 数据通路与总线结构

• 数据通路实例

• 指令周期

• 总线结构CPU指令周期

• 硬布线控制器

• 微程序控制器

• 微指令格式

• 单周期CPU

• 多周期CPU

• CPU设计

系统总线

• 总线的特征及应用

• 总线性能与总线事务

• 总线连接方式

• 总线仲裁和数据传输

• 总线标准

输入/输出系统

• 输入输出接口概述

• 输入输出方式

• 中断请求与响应

• DMA

• 应用举例

如何学好计算机组成原理

构造观+系统观+工程观

构造观：

1. 如何设计功能部件：基本编码/解码器、运算器、控制器、存储器

2. 如何设计系统：简单计算机系统

3. 利用仿真软件Logisim(开源)

系统观：

1. 理解数据表示、校验技术、运算器结构、存储器组织、寻址方式等对程序运行结果正确性、效率等方面的影响。

2. 牢固树立软/硬协同的观念：充分了解并利用硬件的特性！

工程观：

1. 如何高效实现所设计硬件功能部件或系统

多实践

1. 利用仿真软件Logisim设计学习过的硬件功能部件或系统

   • 数据流描述---使用连续赋值assign语句描述，用于组合逻辑电路建模

   • 行为描述---使用Initial or Always语句描述，对组合、时序逻辑电路建模

   • 结构描述---使用内部元件(Primitive)、自定义的下层模块对电路进行描述，用于层次化设计中

2. 海明校验编/解码电路设计及应用

3. 具有溢出检测功能的简单运算器

4. 单周期CPU

5. 5段MIPS流水线CPU，支持动态分支预测、中断异常处理