曹桂涛计算机组成课件

计算机组成与体系结构计算机的基本组成部件及其互连方式包括处理器、存储器和输入输出设备/了解计算机硬件的基本工作原理和设计特点计算机系统组成硬件组成软件组成外围设备互联网连接计算机系统的硬件包括中央处计算机系统的软件包括操作系除了核心的、内存和存储现代计算机系统通常都具有网CPU理器、主存储器统、、设备计算机系统还包括各种络连接功能可以访问互联网CPU RAMWindows macOS,,、外部存储器硬盘、等等和各种应用程序办外围设备如打印机、扫描仪资源进行信息交流和数据传SSDLinux,,、输入设备键盘、鼠标和输公软件、游戏、编程工具等、摄像头、扬声器等这些设输网络连接是计算机系统重出设备显示器、打印机等软件负责管理和控制硬件资备为系统增添更多功能和应用要的组成部分这些硬件元件协同工作完成源为用户提供各种功能和服场景,,计算、存储和输入输出等功能务计算机硬件的结构计算机硬件由各种电子和机械部件组成包括中央处理器、存储器、输入输出设,/备和连接这些部件的总线系统这些硬件组件协同工作实现计算机的基本功能,,如数据处理、存储和交互硬件结构的设计直接影响计算机的性能、功耗和可靠性等指标合理的硬件架构有助于提高计算机系统的整体效率和稳定性的基本结构CPU微处理器核心主要组成部件工作流程的核心是由数百万个晶体管集成而成主要由运算器、控制器、寄存器组等按照预先设定的步骤不断从内存中取CPU CPU CPU,的微处理器芯片负责执行指令并处理数据部件组成通过总线相互连接并协调工作指令、解码、执行并将结果写回内存完成,,,数据处理的基本功能CPU输入管理运算处理负责接收并解码来自输入设拥有强大的算术逻辑单元CPU CPU,备的指令和数据为计算机系统实能够对数据进行高效的运算和处,现指令执行提供输入支持理实现计算机的核心计算功能,控制协调输出管理通过内部的控制单元协调会将运算结果传递给输出设CPU,CPU和管理计算机各个部件的工作确备实现数据和信息的输出和展示,,保系统有序高效地运行指令和指令执行指令格式1指令由操作码和地址码组成操作码表示要执行的操作地址码,,指出要使用的数据源或目的地指令周期2执行每条指令经历取指令、译码、执行和数据回写四个CPU阶段指令执行过程3根据指令从内存读取操作数执行相应的算术逻辑运算CPU,,并将结果写回内存或寄存器指令格式二进制格式操作码操作数地址码指令以二进制的形式存储在计指令的操作码部分用于指示指令的操作数部分用于提供执指令的地址码部分用于指定操算机的存储器中方便高效需要执行的操作行操作所需的数据作数的存储位置,CPUCPU识别和执行指令寻址方式寄存器寻址立即数寻址12从指定的寄存器中取出操作数这种方式简单高效指令中直接包含操作数无需从存储器中取出,,存储器寻址间接寻址34指令中给出存储器地址从该地址取出操作数指令中给出一个存储器地址从该地址取出另一个地址再从,,,该地址取出操作数中央处理器的工作过程指令获取1从主存中获取指令指令译码2对指令进行分析和解码操作执行3根据指令执行相应的操作结果输出4将操作结果输出到主存或外设中央处理器的工作过程包括指令获取、指令译码、操作执行和结果输出四个步骤首先从主存中获取指令然后对指令进行分析和解码接着根据指令,,执行相应的操作最后将操作结果输出到主存或外设设备这一循环往复的工作过程是中央处理器执行计算任务的核心,数据通路和控制通路计算机系统由数据通路和控制通路两大部分组成数据通路负责数据的传输和处理包括算术逻辑单元、寄存器和数据总线控制,通路则负责对整个计算机系统的运行进行协调控制包括指令寄存,器、指令译码器和控制单元数据通路和控制通路相互配合共同完成计算机的运算和控制功能,数据通路提供数据传输和运算的物理通路控制通路则决定数据,的流向和执行的步骤计算机存储系统计算机的存储子系统包括主存储器和各类辅助存储器主存储器用于存放程序和数据辅助存储器用于海量数据存储它们共同构成了计算机的复杂而强大的存,储层次结构存储器的分类按存储器属性分类按存储器位置分类12包括随机存取存储器（）和只读存储器（）等包括主存储器和辅助存储器主存储器位于处理器附近如RAM ROM,存储器可读写而存储器只读不可写内存辅助存储器位于较远的位置如硬盘、光驱等RAM,ROM;,按存储介质分类按存取方式分类34包括半导体存储器、磁性存储器和光学存储器等它们采用包括顺序存取存储器和随机存取存储器顺序存取需要从头不同的物理存储机制拥有不同的特性开始查找随机存取可直接访问任意存储单元,,主存储器的结构存储单元寻址机制数据传输主存储器由许多小型的存储单元组成每个主存储器通过地址线来访问特定的存储单元数据线用于在主存储器与处理器之间传输数,存储单元可以存储一个二进制位或地址线的数量决定了主存储器的容量大小据数据线的宽度决定了一次传输的数据量01,存储单元通常采用半导体存储芯片制成通常地址线的数量越多主存储器的容量通常数据线越宽传输速度越快,,,越大高速缓存存储器高速缓存存储器是计算机系统中用于弥补主存储器和之间速度差异Cache CPU的一种临时存储器它位于和主存储器之间能够快速地为提供所需的CPU,CPU指令和数据大大提高了系统的整体性能,缓存存储器利用局部性原理通过缓存最近访问的指令和数据减少对主存储器的,,访问提高了访问速度它采用硬件管理的方式无需操作系统参与能够在,,,CPU和主存之间快速交换数据外部存储器硬盘驱动器光盘驱动器硬盘是常见的大容量外部存储设光盘是便携式的外部存储介质可,备可以提供大容量、快速存取的以存储各种数字媒体如音乐、电,存储功能影和软件等闪存盘网络存储设备USB闪存盘是小型、轻便的外部网络存储设备可以提供远程访问USB存储设备可提供快速、便捷的数的大容量存储空间实现云端数据,,据传输和备份存储和共享输入输出系统计算机输入输出系统负责将数据和指令从外部设备输入计算机系统并将计算机,的处理结果输出到外部设备这是计算机系统与外部世界进行交互的关键部分接口I/O信号管理接口负责管理计算机与外围设备之间的数字信号传输I/O通信协议接口标准化了通信协议确保设备之间高效、可靠的数据交换,设备控制接口还负责对外围设备进行控制实现计算机对其的管理和调度,中断机制中断的定义中断的类型中断的处理过程中断的优点中断是一种硬件信号用于通中断包括外中断来自设备收到中断请求后会保存中断机制提高了的利用率,I/O CPU,CPU知发生了某种外部事件或和内中断来自内部两当前程序的现场信息转而执和响应速度增强了系统的实CPUCPU,,内部事件需要暂时中止大类并根据优先级划分为不行中断服务程序处理完中断时性和交互性,CPU,,当前程序的执行转而处理这同级别后再恢复现场继续执行原程序,个事件技术DMA概述工作原理DMA DMA（）是一种直接内存访问的技术控制器负责管理内存和外设之间的数据传输可以在不干扰DMA DirectMemory Access,DMA,可以在不经过的情况下直接在内存与输入输出设备之间传的情况下独立进行数据交换控制器会获取的CPU,CPU DMACPU输数据这种方式可以提高数据传输效率减轻的负担许可直接访问内存完成数据传输任务,CPU,,总线技术数据传输媒介总线类型总线是计算机系统中用于数据传包括地址总线、数据总线和控制输的共享通信通道连接各个部件总线协调处理器、内存和外设之,,并实现信息交换间的数据流总线特性总线标准总线宽度、总线带宽和传输速率、、等标准定义了总ISA PCIUSB等特性影响着整个计算机系统的线接口和传输协议确保各部件之,性能和效率间的兼容性计算机系统软件计算机系统软件包括操作系统、编程语言、应用软件等提供了基本的软件平台,,确保计算机系统高效运行并满足用户需求这些软件无缝协作构建了完整的计,算机软硬件生态系统操作系统概述操作系统的基本功能操作系统的发展历程现代操作系统的特点操作系统负责管理计算机硬件和软件资源从最初的批处理操作系统到后来的分时操现代操作系统具有多任务、多用户、虚拟内,,提供稳定、高效的计算环境它主要包括进作系统、实时操作系统再到当今的图形用存、图形界面等特点为用户提供更加友好,,程管理、内存管理、文件管理和管理等户界面操作系统操作系统不断发展完和强大的计算环境I/O GUI,核心功能善进程管理进程概念进程状态12进程是操作系统中基本的运行进程可以处于就绪、运行、挂单位它由程序、数据和程序计起和阻塞等不同状态操作系统,,数器等组成描述了任务的执行负责动态管理这些状态转换,过程调度策略进程同步34操作系统使用多种调度算法如为了避免进程间资源竞争操作,,先到先服务、最短作业优先等系统提供了互斥、信号量等进,合理安排进程执行顺序程同步机制存储管理内存分配管理系统将内存划分为多个区域根据程序需求动态分配和回收内存空间提高内存利用率,,虚拟内存管理将程序逻辑地址映射到物理内存地址实现程序运行时内存的动态扩展,内存保护机制建立内存访问控制机制防止程序非法访问内存保护系统和数据的安全性,,文件管理文件组织文件属性文件查找文件安全文件管理系统提供了一种有效文件管理系统允许用户查看和通过搜索功能用户可以快速文件管理系统提供了访问控制,的方式来组织和管理计算机上编辑文件的元数据如文件名定位所需的文件高级搜索选允许管理员设置文件和文件,,的文件通过建立文件夹和子、创建日期、修改日期、大小项还可以根据各种条件如文夹的读写权限这有助于确保,文件夹层级结构用户可以轻和权限等这有助于更好地了件类型、关键词和日期范围等敏感信息的安全性,松地找到和访问所需的文件解和管理文件进行筛选输入输出管理设备驱动程序缓冲区管理12操作系统需要为每种设备操作系统会为设备管理输I/O I/O提供相应的驱动程序负责设备入输出缓冲区确保数据的正确,,的初始化和控制传输和处理中断处理虚拟化管理34操作系统必须及时响应和处理操作系统可以将物理设备I/O设备发起的中断请求确保虚拟化让多个程序共享使用同I/O,,数据的及时传输一个设备计算机体系结构的发展计算机体系结构自诞生以来不断经历着革新和变革追求更强大的性能、更高的,,效率和更智能的功能从最早的大型机到如今的手机、平板等各种形式计算机,体系结构的发展一直是技术进步的缩影摩尔定律概念微处理器性能每个月翻一倍18-24提出者英特尔创始人之一戈登摩尔·影响推动了计算机硬件快速进步带动了,整个信息技术产业的持续发展摩尔定律是微电子技术发展的一条经验定律预测集成电路上的晶体管数量大约,每至个月翻一倍该定律体现了集成电路制造技术不断进步、性能持续提1824升的事实成为推动整个信息技术产业迅速发展的重要基础,微处理器的发展19711978年年19711978英特尔推出第一款微处理器摩托罗拉推出系列微处理器40046800019952022年年19952022英特尔推出奔腾系列微处理器苹果推出微处理器M1Ultra微处理器技术的发展经历了从早期原型到现代高性能多核心处理器的历程从年英特尔推出至今，微处理器的处理能力、集成度和功能不断提升19714004，支持了计算机技术的飞速发展未来计算机的发展趋势量子计算人工智能和机器人物联网和智能家居未来的计算机将利用量子力学原理能大幅智能机器人和人工智能技术将进一步发展万物互联的物联网技术将普及将家电、家,,,提升计算速度和能力在密码学、模拟模拟应用于各行各业为人类提供更智能化的服居设备与互联网深度融合实现更智能化的,,,等领域有广泛应用务生活方式。