第1周-计算机组成章节视频简介

# 第1周计算机组成章节视频简介

计算机组成这门课重点讲述的是计算机的内部结构和工作原理，适合大学计算机专业 2 年级的水平。课程共分九讲，现在我们通过选取的一些课程画面来简要了解这门课的内容。

‍

第一讲的主题是计算机基本结构。

这一讲从电子计算机起源开始，讲述冯诺依曼等人构建现代计算机的历史，并对照当前新型计算机的具体实现，讲解计算机内部结构的基本原理。为了便于大家理解计算机内部的抽象过程，还会通过一个关于餐馆的有趣故事，分析执行指令的过程，从而建立计算机结构的整体概念。这一讲是全课程的开篇，总体难度不大，可以比较轻松地完成学习任务。

第二讲的主题是指令系统体系结构。

这一讲选取了两种典型的体系结构进行对照讲解，一是 X86 体系结构，二是 MIPS 体系结构。

首先会介绍这两种体系结构的基本特点和编程模型，然后分析典型的指令格式，并结合程序示例进行讲解。这一讲的难度相对较大，尤其是和第一讲相比，有明显的难度提升，如果之前接触过一些汇编语言的知识会更容易学习这一讲。不过因为这一讲的多数内容相对独立，所以即使没有完全听懂也可以继续学习后面的内容。

第三讲的主题是算术逻辑单元。

这一讲会深入到计算机内部电路的基本单元，首先讲解如何从晶体管构建逻辑门，再分析常见逻辑运算的电路实现，然后重点论述加法器的设计，并探讨如何改进加法器以提高运算性能，这样我们就掌握了简单运算电路的基本原理。这一讲会涉及一些集成电路的知识，但不会很复杂。这一讲和下一讲的关系比较紧密，最好能连在一起学习。

第四讲的主题是乘法器和除法器。

这一讲会先后分析乘法和除法的运算过程，设计出适合计算机实现的运算方法。这里会用一种动态的方式生动形象的展现乘法器和除法器的运算过程，以便于我们掌握这两种相对复杂的运算部件。然后还会深入分析这两种运算的特点，并对运算部件的性能进行优化。这一讲的难度适中，与上一讲结合在一起就展现了计算机的处理器是如何实现常见的运算了。

第五讲的主题是单周期处理器。

这一讲会带大家设计一个简单但是完整的计算机处理器。首先会分析指令的功能，选择合适的部件，构建出数据通路，然后根据每条指令的需求确定控制信号的生成电路，从而完成整个处理器的结构。处理器是计算机中最复杂的部件。这一讲自然也是本课程的核心重点，综合性强，有较高的难度。

第六讲的主题是流水线处理器。

这一讲会先用浅显易懂的生活示例展现流水线的基本原理，并探讨优化流水线的基本方法，然后结合上一讲的设计，讲解计算机处理器中使用流水线技术会遇到的问题，并分析不同的解决方案。现实中的流水线处理器是非常复杂的，但本课程只是讲解流水线技术的基本原理，所以这一讲的难度并不高。

从第三讲到第六讲都在讲述计算机的核心部件-处理器，这四讲构成了一个相对独立的版块。

第七讲的主题是存储层次结构。

这一讲会先介绍计算机中存储层次结构的基本概念，并分析存储器对计算机整体性能的影响，然后以内存为一个重点，讲解其内部结构和运行过程，并分析影响内存性能的要素。本讲的另一个重点是高速缓存。这里会讲解高速缓存的基本结构和运行原理，同时结合高速缓存的发展过程展现其在计算机中的重要作用。这一讲的难度适中。从这一讲开始课程的关注点扩展到了处理器之外的部件。

第八讲的主题是中断和异常。

如果计算机在运行过程中出现异常情况，该怎么办呢？这一讲先从异常处理的起源说起，并分析中断和异常这两个概念的区别。然后讲解中断处理的基本过程，并以 x86 体系结构为例，重点讲述内部中断的处理方式。而外部中断则会留到下一讲中。这一讲的知识本身难度并不大，但是由于此前的课程都在讲述正常情况下计算机是如何运行的，因此要用新的视角来学习这一讲。刚开始可能在理解上会有一定的难度。

第九讲的主题是输入输出设备。

现代计算机的输入输出设备非常丰富。这一讲会先介绍输入输出设备的基本结构和运行过程。然后讲解计算机内部管理输入输出设备的三种主要方式。