计算机组成原理李小勇课件

计算机组成原理深入探讨计算机的硬件结构及其工作原理,帮助学习者全面理解计算机系统的内部构造与功能课程简介课程目标课程内容教学方式本课程旨在全面阐述计算机的基本组成原课程涵盖了从数据表示、存储器、CPU到输课程采用理论课和实验相结合的教学方式,理,帮助学生深入理解计算机硬件的工作机入输出系统的各个重要组成部分,为学生奠通过实践环节加深对原理的理解制定计算机硬件基础计算机的基本组成计算机主要由五大部件组成:输入设备、输出设备、中央处理器CPU、主存储器和辅助存储器这些部件通过总线相互连接,共同完成数据的输入、处理、存储和输出等功能中央处理器作为计算机的核心部件,负责执行指令并协调各个部件的工作信息的表示数值编码文字编码计算机使用二进制编码表示数值信息,如整数、小数和负数计算机使用标准字符编码如ASCII和Unicode表示文字信息多媒体编码指令编码图片、音频和视频等多媒体数据需要特定的压缩编码格式存计算机中的指令和操作码也需要用二进制形式表示和存储储和传输数制及转换二进制1计算机内部使用二进制数字（0和1）来表示和存储信息二进制数制是计算机系统的基础八进制2八进制用0-7八个数字表示,在计算机中常用于表示内存地址和文件权限十六进制3十六进制使用0-9及A-F共16个符号表示,在计算机中广泛用于表示颜色、内存地址等计算机内存计算机内存是用于临时存储程序和数据的重要组成部分它分为多个层次,从高速缓存到主存储器再到外部存储器,每一层都有其独特的特性和功能内存容量、访问速度和成本通常是设计中需权衡的关键指标合理配置内存层次结构,可以大幅提升计算机的整体性能存储器层次结构快速访问存储器主存储器包括寄存器和高速缓存cache存储程序和数据,作为CPU与外部能够快速访问数据和指令,提高系设备数据交换的中介容量较大,统性能访问速度相对较慢辅助存储器虚拟存储器包括硬盘、光驱等,容量大但访问利用辅助存储器模拟出一个比物速度较慢主要用于长期存储数理主存更大的逻辑存储空间,增加据和软件程序了系统的有效容量总线结构主总线数据总线和地址总线控制总线主总线是连接CPU、内存和输入/输出设备数据总线用于传输数据,地址总线用于传输控制总线用于传输CPU发出的各种控制信的核心通信通道,支持数据、地址和控制信存储单元的地址通常数据总线和地址总线号,如读/写、中断、时钟等,协调各个部件的号的传输主总线是计算机系统中最重要的都是双向总线,以提高总线利用率工作,保证计算机系统正常运转互连结构的基本结构CPU处理器核心存储器接口时钟系统指令系统CPU的核心是算术逻辑单元CPU通过总线与主存储器以及CPU内部使用高频时钟脉冲来CPU按照存储在主存中的一系ALU和控制单元CU它们各种外设进行数据和地址的传驱动各个电路模块的工作,保列指令进行运算和控制,每条负责执行各种数学和逻辑运输,实现对这些设备的读写操证程序指令和数据的有序执指令都有特定的格式和功能算,以及控制指令的执行流作行程和控制器ALU算术逻辑单元控制器指令执行ALU CUALU负责执行各种算术和逻辑运算,如加、控制器负责对CPU各部件的操作进行协调和ALU和控制器协同工作,根据指令系统执行减、乘、除、逻辑与、逻辑或等控制,并管理整个计算机系统的运行各种计算和控制操作指令系统指令类型指令格式特殊指令指令系统优化计算机使用不同类型的指令来指令由操作码和操作数两部分一些特殊指令,如中断处理、通过优化指令系统,如增加指执行各种操作,如算术运算、组成操作码标识指令的类内存访问等,需要CPU特殊处令集、优化指令格式等方式,逻辑运算、数据传输、程序控型,操作数指定执行指令所需理,体现了计算机硬件和软件可以提高计算机的性能和功制等指令集的设计直接影响的数据指令格式的设计关系的紧密协作能这是计算机体系结构设计计算机的功能和性能到CPU的实现复杂度的核心内容之一指令的执行指令获取

1.1CPU从存储器中取出指令指令译码

2.2确定指令的类型和操作码操作执行

3.3CPU执行指令的功能操作结果写回

4.4将计算结果写入存储器或寄存器计算机指令的执行是一个多步骤的过程CPU首先从存储器中获取指令,然后对其进行译码以确定指令类型,接下来执行相应的功能操作,最后将计算结果写回存储器或寄存器这个循环往复地执行每条指令,从而完成计算任务寄存器和寻址方式寄存器寻址模式1CPU2CPU内部包含各种寄存器,用于常用的寻址模式包括立即寻暂时存储数据和地址信息,实现址、直接寻址、间接寻址和相高速数据读取和运算对寻址等,满足不同的编程需求地址空间访存效率34CPU可访问的地址空间决定了合理利用寄存器和寻址模式可其最大存储能力,随着技术的发以提高CPU对内存的访问效率,展而不断扩大优化程序性能流水线技术并行处理流水线技术通过将任务划分为多个阶段并并行执行来提高计算机性能效率提升与传统的顺序执行相比,流水线技术可以大幅提高CPU的利用率和吞吐量结构设计流水线需要精心设计才能充分发挥优势,比如要考虑数据相关性和控制相关性局限性流水线技术也存在一些局限性,如分支预测错误和数据依赖问题会降低性能中断机制中断类型中断处理过程中断分为内部中断和外部中断,可以针对不同类型的事件引发中断CPU接收到中断信号后,会保存现场信息,并转向中断服务程序执行中断优先级中断嵌套不同中断源有不同的优先级,CPU会根据优先级决定先处理哪个中某些情况下,高优先级中断可以中断正在处理的低优先级中断断输入输出系统输入设备输出设备键盘、鼠标、触摸屏等用于向计算机显示器、打印机、扬声器等用于显输入数据和指令的设备示、打印或播放计算机输出结果的设备接口技术控制器输入输出设备与计算机主机之间利用负责管理和协调输入输出设备与主机标准接口协议进行数据传输和通信的之间数据交互的专门电路技术磁盘存储器磁盘存储器是计算机中常用的大容量外部存储设备它由一个或多个圆形磁性盘片组成,盘片表面涂有磁性材料,用于记录和存储数据磁头在盘片表面滑动,可以读取和写入数据磁盘存储器具有大容量、随机访问、信息可靠性等优点,在计算机中扮演着重要的角色打印机和显示器打印机是将数字信息转换为硬拷贝输出的设备,广泛应用于日常办公和家庭使用显示器则是将数字信息转换为图像在屏幕上显示的设备,是计算机系统的重要输出设备这两种设备不仅提高了工作效率,也成为现代生活不可或缺的一部分存储器管理内存分配虚拟内存管理分页与分段通过操作系统的内存管理模块,将内存空间利用虚拟内存技术,可以为运行的应用程序操作系统通过将内存划分为固定大小的页框高效分配给不同的程序和进程,确保每个应提供比实际物理内存更大的可用内存空间,或可变大小的段来管理内存,提高内存利用用程序能够获得所需的内存资源提高内存利用效率率和访问速度虚拟存储器扩展存储空间页式内存管理虚拟存储器允许程序访问大于实际物理内存的地址空间,通过操作系虚拟存储器使用页式内存管理机制,将物理内存分成小的固定大小的统的动态内存管理,可以实现更大的存储容量页面,根据需求动态调度页面在内存和辅助存储器之间交换提高内存利用率页面置换算法虚拟存储器通过按需调度页面到内存,可以更好地利用有限的物理内虚拟存储器需要设计高效的页面置换算法,根据页面访问模式选择合存资源,提高整体系统性能适的页面进行替换,减少页面交换开销并行计算机结构多核处理器集群计算通过将多个处理器核集成在同一芯片多台计算机通过网络连接组成集群,协上,可以并行执行多个任务,提高计算能同工作来解决大型计算问题力图形处理器可编程门阵列GPU擅长处理并行的图形计算任务,在FPGA是一种可编程的硬件电路,能够图形渲染、深度学习等领域发挥重要实现并行计算,适用于定制化的高性能作用计算场景微处理器集成电路演进架构设计12从大型机到个人电脑,微处理器微处理器包括中央处理器、存的发展带来了计算机技术的革储器和输入输出接口等核心组新件性能提升应用广泛34随着制造工艺的进步,微处理器微处理器广泛应用于电子设的集成度和工作频率不断提备、工业控制和嵌入式系统等高领域计算机系统性能评测

1.2G32G1TB处理器速度内存容量存储空间以gigahertz GHz为单位衡量的处理器速以gigabyte GB为单位衡量的系统内存以terabyte TB为单位衡量的硬盘存储容度量计算机系统性能评测关注处理器速度、内存容量和存储空间等关键指标通过对比不同数据指标,可以全面了解一台计算机的整体性能水平计算机硬件性能提升处理器性能提升存储系统优化输入输出效率系统集成优化通过提高处理器时钟频率、增采用高速缓存、固态硬盘等先优化总线架构、增加并行通道利用系统级芯片SoC技术集加处理器核心数量、优化指令进存储技术,缩短数据访问时数量,提高数据在计算机各部成多种功能模块,减少系统组集架构等方式不断提高处理器间,提高整体系统性能件之间的传输速率件数量,提升整体可靠性的运算能力存储器技术的发展微型芯片1从真空管到小型化集成电路存储密度2容量从KB到TB的飞跃访问速度3从毫秒到纳秒的大幅提升能耗效率4从耗电大量到低功耗设计多样化应用5从主存到外存到移动设备计算机存储器技术经历了长期的迭代与进化,从真空管、磁芯到集成电路芯片,容量从KB增加到TB,访问速度从毫秒缩短到纳秒,功耗也从大量降低到低功耗这些技术进步不仅提升了计算机的性能,也带动了更多样化的存储应用技术的发展CPU集成度提升集成电路技术的进步使得CPU芯片能够集成更多晶体管,提升计算性能制程工艺优化精密制造工艺不断改进,使CPU尺寸越来越小,功耗越来越低架构创新CISC、RISC、超标量、多核等CPU架构的持续创新提升了处理能力制冷技术进步高效散热方案的发展使高性能CPU能够长时间稳定运行计算机体系结构的发展建筑设计1从简单的单机设计到复杂的多处理器系统存储器架构2从单级存储到多级存储层次结构输入输出系统3从简单的键盘鼠标到多种设备的互联网络指令集架构4从简单的指令集到复杂的超标量指令集系统软件5从基础的操作系统到强大的虚拟化技术计算机体系结构的发展经历了从单机设计到网络系统、从简单指令集到复杂指令集、从单级存储到多级存储架构等一系列变革这些变革不仅提高了计算机的性能,也增强了其适用性和可扩展性,为信息技术的蓬勃发展奠定了坚实的基础新兴计算技术量子计算机人工智能生物计算机利用量子力学原理的全新计算模式,可以大利用机器学习和深度学习技术,AI可以模仿利用生物分子如DNA来存储和处理信息,可幅提升计算能力,在密码学、材料科学等领人类智能,在图像识别、语音交互等方面达能会在存储容量和能量消耗方面有革命性的域有重大突破到人类水平改变实验环节介绍实验目标实验内容实验流程实验要求通过一系列实验环节，帮助同涵盖计算机硬件基础、指令系每个实验环节都有详细的实验学生需要提前预习实验内容,学们更好地理解计算机系统的统和CPU设计、存储器管理、指导手册先通过教师讲解掌课堂认真参与实践操作,按时组成和工作原理培养动手实输入输出设备等核心知识点握理论知识,然后进入实践操完成实验报告实验成绩将计践能力和解决实际问题的思通过实操演示和分组讨论强化作环节最后整理实验报告并入平时成绩维学习进行课堂展示课程总结和展望知识点回顾实践应用本课程涵盖了计算机组成的核心通过动手实验和编程练习,学生知识,从信息表示、存储器、将所学知识转化为实际操作能CPU结构到输入输出系统等多个力,为未来工作打下坚实基础主题进行了全面深入的讲解技术发展趋势未来展望课程最后展望了存储器、CPU、希望学生能够继续深入钻研计算并行计算等前沿技术的发展方机组成原理,在未来的工作和学向,为学生了解行业前景提供参习中发挥所长,为计算机科学做考出贡献。