《计算机组成原理》课件

计算机组成原理了解计算机的工作原理和结构掌握计算机基础知识为后续学习打下坚实基础,,本课程将讲解计算机硬件的组成、数据表示、指令系统等内容计算机硬件基础中央处理器主存储器CPU负责执行指令和控制计算机主存储器用于暂时存储程序和数CPU系统的运转是计算机的核心部件据为提供信息主存可分为,,CPU包括运算器和控制器两大单和前者为只读存储器CPU ROM RAM,,元后者为读写存储器输入输出设备辅助存储设备输入设备如键盘、鼠标等用于向辅助存储设备如硬盘、光驱等用计算机输入信息输出设备如显示于长期存储大量程序和数据补充;,器、打印机等用于将信息呈现给主存的有限容量用户数据的表示和运算数字化表示逻辑运算计算机使用二进制位（和）来表示各种形式的数据，包括数字、字符计算机还可以进行逻辑运算，如与、或、非等操作这些运算用于处理和01和指令这种二进制编码使得数据可以被高效地存储和处理控制数字信息的流向123算术运算计算机可以对二进制数进行基本的加减乘除等算术运算这些基础运算为复杂的计算奠定了基础数字系统和编码二进制编码十进制编码使用和两个数字来表示所有信息我们日常使用的是个数字的01,100-9是计算机的基础掌握二进制是理解十进制系统理解二进制和十进制之计算机工作原理的关键间的转换非常重要十六进制编码字符编码十六进制使用和个字符编码将英文字母、数字和符号0-9A-F16ASCII表示数字可以更紧凑地表示二进制信与数字编码一一对应是计算机文本信,,息在计算机中广泛使用息的基础,逻辑运算和逻辑门电路计算机系统中广泛使用各种逻辑门电路，如、、、AND ORNOT和等这些基本逻辑门能够执行各种布尔代数运算，NAND NOR是构建更复杂数字电路的基础合理组合这些逻辑门可实现各种组合和时序逻辑功能逻辑门电路的输入输出状态可以用真值表和逻辑表达式来描述设计和分析复杂数字电路时需要运用图等化简方法Karnaugh组合逻辑电路设计需求分析根据问题需求分析电路的功能和设计目标逻辑表达式确定根据功能要求确定合适的逻辑表达式电路实现使用逻辑门电路实现逻辑表达式所对应的电路性能优化针对电路的延迟、功耗等指标进行优化调整时序逻辑电路触发器1存储一个二进制位的基本单元时序电路2利用触发器实现的电路寄存器3由多个触发器组成的存储单元计数器4利用寄存器实现的数字计数器移位寄存器5移动和移位数据的存储单元时序逻辑电路由触发器和时钟脉冲等构成能够实现数据的存储和移动等功能它们是构建复杂数字系统的基础广泛应用于计算机、通信和控制系统中,,存储器概述存储器层次结构和存储器扩展RAM ROM计算机存储器包括高速缓存、主存储器、辅随机存取存储器用于存储程序和数通过内存条和存储卡等方式可以扩展计算机RAM助存储器等多个层次它们在访问速度、容据而只读存储器用于存储系统固有的存储容量满足不同应用场景的需求,,ROM,量和成本等方面各有特点的数据和程序主存储器存储器类型存储容量12主存储器主要包括随机存取存随着技术进步主存储器的容量,储器（）和只读存储器不断增大从早期的级到当RAM,KB（）两大类提供今的级满足了计算机对大ROMRAMTB,可读写功能而为只读存容量存储的需求,ROM储存取速度存储介质34主存储器的存取速度也在不断主存储器的存储介质从最初的提高从毫秒级到纳秒级大幅磁芯到现在的半导体芯片在,,,,提升了计算机的运行效率性能和成本方面都有了显著进步辅助存储器固态硬盘机械硬盘光学存储介质磁带存储设备SSD HDD采用闪存技术无机械运采用磁性存储技术拥有光盘、、磁带是一种便携式低成本的存SSD,HDD,CD DVDBlu-ray动部件读写速度快于传统硬大容量存储空间传统的存储利用激光在光盘表面读写数据储介质适用于大容量数据备,,,,盘更耐用可靠常用于高性介质成本相对较低适用于存储容量大、耐久性强常用份和存档读写速度较慢但具,,,,能和移动设备中大量数据存储需求于软件发布和个人备份有良好的可靠性PC概述CPU探讨计算机中关键核心部件中央处理器的基本构成和工作原理了解—CPU在整个计算机系统中的重要地位及其关键功能CPU指令系统指令的基本组成指令的分类指令由操作码和地址码两部分组主要分为数据传送指令、算术逻成操作码描述要执行的操作地辑指令、分支跳转指令和控制指,址码指示相应的数据或地址令等不同类型指令具有不同的功能指令系统的设计指令执行过程指令系统的设计应考虑指令格式、指令执行通常包括取指、分析、寻址方式、指令集规模等因素以执行和存储结果等阶段由控制单,,满足计算机系统的需求元和执行单元协同完成中央处理器的结构控制单元1负责指令的取出、解码和执行控制算术逻辑单元2执行各种算术和逻辑运算寄存器组3暂时存储数据和地址信息总线系统4实现与存储器和外设的数据传输CPU中央处理器是计算机的核心部件负责执行指令并进行运算它由控制单元、算术逻辑单元、寄存器组和总线系统四大部分组成通过它们完成CPU,,指令的取出、解码、执行并控制整个计算机系统的运行微程序控制什么是微程序控制？微程序控制的优势微程序控制的实现微程序控制的特点微程序控制是一种内部控制机微程序控制提高了的灵活微程序存储于特殊的存储器中，微程序控制灵活、可编程、可CPU制，用于实现指令系统和计算性和可扩展性它允许计算机称为微程序存储器根据维护它为计算机结构设计提CPU机硬件之间的接口它通过一快速适应新的指令集和硬件改指令地址访问微程序存储器，供了更多的自由度和更高的可系列微操作指令来控制执变，无需重新设计整个并按顺序执行相应的微操作指靠性CPU CPU行指令令流水线处理并行处理1流水线处理通过将任务分解为多个独立的阶段实现并行处理,,从而提高整体效率高吞吐量2流水线操作可以持续不断地输出数据大幅提高了系统的吞吐量,和资源利用率延迟减少3通过将任务划分成更小的子任务流水线处理可以减少单个任务,的延迟时间总线系统总线结构总线特性12总线系统是计算机硬件的重要总线具有总线宽度、传输速度、组成部分负责连接各个部件并总线仲裁机制等特性决定着系,,进行数据传输它包括地址总统的性能和功能线、数据总线和控制总线总线种类总线协议34常见的总线包括系统总线、设总线协议规定了数据传输的格备总线和扩展总线各自有不同式和时序如总线、总,,PCI ISA的应用场景线等协议不同具有不同的特点,输入输出系统输入设备输出设备输入输出接口输入设备将人类可理解的数据转换为计算机输出设备将计算机处理的数据转换为人类可输入输出接口负责连接输入输出设备与计算可处理的形式如键盘、鼠标、扫描仪等理解的形式如显示器、打印机、扬声器等机主机实现数据传输和信号交互它们确,,,它们提供了与计算机交互的方式它们将计算机的处理结果呈现给用户保了计算机系统的输入输出功能中断机制信号驱动中断由硬件设备发出的紧急信号触发打断正常指令流程,CPU优先级处理不同中断源拥有不同的优先级根据优先级顺序处理中断请求,CPU时间片轮转若中断源繁忙采用时间片轮转的方式公平调度中断服务程序,CPU外围设备输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪等设备用于向计算机输入数据和指令它们扮显示器、打印机、绘图仪等设备用于将计算机处理后的结果呈现给演着计算机与用户之间沟通的重要角色用户它们确保了计算机输出结果的可视化和硬拷贝存储设备通信设备硬盘、盘、光驱等设备用于长期存储和读取计算机数据它们提供网卡、路由器、调制解调器等设备用于实现计算机之间的网络连接U了海量的存储空间和便捷的数据存取方式和数据传输它们保证了计算机之间的互联互通操作系统概述操作系统是一种重要的系统软件负责管理计算机硬件资源并为应用程序提供服,务了解操作系统的基本概念和功能可以帮助我们更好地使用和优化计算机系统存储管理内存管理虚拟内存管理页表管理有效管理系统内存是操作系统的关键任务之虚拟内存技术可以扩展可用内存空间通过页表是虚拟内存管理的核心用于记录页面,,一包括内存分配、回收、保护等关键功能页面交换机制实现进程访问物理内存之外的的地址映射关系并支持页面访问控制,,存储区域进程管理进程创建与删除进程切换与调度12操作系统负责分配资源并管理操作系统根据不同的调度算法,进程的整个生命周期包括创建决定哪些进程获得资源并,CPU新进程、终止已完成的进程切换执行进程间通信进程同步与互斥34进程之间可通过共享内存、消操作系统提供机制如信号量、息传递等方式进行交互和协作互斥锁来协调并发进程的访问和修改共享资源文件管理文件系统结构文件操作权限管理文件缓存操作系统利用文件系统管理磁用户可在文件系统内创建、打操作系统对文件和目录实行权为提高文件访问效率操作系,盘上的文件和目录文件系统开、读写和删除文件系统提限管理确保数据安全不同统会利用内存缓存文件数据,采用树状结构组织文件方便供文件管理的基本功能如复用户对文件的读写权限可以有当需要访问文件时优先从缓,,,查找和管理制、移动、重命名等所不同存中读取设备管理硬件管理软件管理管理计算机系统中的各种硬件设备确安装、配置和维护系统和应用软件保,,保它们正常工作并满足用户需求证软件的正常运行性能优化故障诊断分析系统瓶颈调整硬件资源分配和软发现和解决硬件或软件方面的问题最,,件参数提高系统整体性能大限度减少系统故障对用户的影响,处理机管理资源分配调度算法进程控制处理机管理负责将系统资源如处理器、内存处理机管理实现各种调度算法如短作业优处理机管理跟踪管理每个进程的执行状态,,等合理分配给各个进程确保系统运行的公先、最短剩余时间优先等为进程提供如就绪、阻塞、运行等确保进程间的互斥,,CPU,平性和效率时间和同步网络基础网络基础涵盖了网络的基本概念和原理为后续网络知识的学习打下坚实的基础,这一部分包括网络的定义、分类、拓扑结构、以及网络协议等内容网络体系结构参考模型协议簇OSI TCP/IP参考模型定义了个网络功协议簇是事实上的网络OSI7TCP/IP能层级为网络体系结构的标准化体系结构标准其四层结构简单高,,奠定了基础效广泛应用于互联网,网络硬件设备网络安全机制路由器、交换机、网卡等硬件设防火墙、加密技术等安全控制手备是实现互联网互通的关键基础段可保障网络通信的机密性、完设施整性和可用性数据通信技术多样的传输媒体高效的编码方式智能的信号调制安全可靠的协议数据通信可以使用各种传输媒通过采用先进的编码技术如利用各种调制解调技术如完善的通信协议可保证数据传,,体如有线电缆、光纤、无线数字编码、差分编码等可提、、等可实现输的安全性和可靠性如,,ASK FSKPSK,,电波等满足不同应用场景的高通信效率和带宽利用率数据的高速传输和抗干扰能力、蓝牙、等,TCP/IP WIFI需求网络协议协议模型TCP/IP OSI12协议是互联网上最广模型是一个概念性参考框TCP/IP OSI泛使用的协议集定义了数据如架描述网络通信的个分层为,,7,何在网络上传输网络协议提供标准网络通信层次协议标准化34网络协议可分为物理层、数据网络协议通过标准化组织如链路层、网络层、传输层、会、等制定确保不同IETF IEEE,话层、表示层和应用层设备和软件的互操作性网络应用电子邮件网页浏览通过网络收发电子邮件实现快速、便利用万维网浏览信息访问各种网站获,,捷的信息传输取所需内容视频通话文件共享利用网络进行远程视频交流增进人与通过网络传输和共享文档、图片、音,人之间的交流频、视频等各类文件。