《计算机组成原理》》课件

计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程它深入探讨了计算机硬件系统的结构和工作原理，为后续的计算机体系结构、操作系统等课程奠定基础课程简介学习目标课程内容理解计算机系统的基本原理，掌涵盖计算机硬件系统、软件系统握计算机系统各个组成部分的工、体系结构、性能分析等方面的作原理和相互关系知识学习方法考核方式理论学习与实践结合，课堂讲授期末考试，平时成绩综合评定、实验练习相辅相成计算机系统概述硬件系统软件系统人机交互硬件系统是计算机系统的物理基础，包括软件系统是计算机系统的灵魂，包括操作系人机交互是计算机系统与人之间沟通的桥梁CPU、内存、硬盘、主板等，负责执行运算统、应用程序和各种工具软件，负责控制硬，通过输入设备（键盘、鼠标等）接收指令、存储数据和控制程序件、管理资源和实现各种功能，并通过输出设备（显示器、打印机等）反馈结果计算机硬件系统构成中央处理器CPU主存储器内存输入/输出设备I/O辅助存储器外存CPU负责执行指令，控制计算内存用来存放正在运行的程序I/O设备负责与外部世界交互外存用来长期保存数据和程序机的运作和数据，例如键盘、鼠标、显示器等，例如硬盘、U盘等它像计算机的大脑，负责处理它像计算机的短期记忆，速度它像计算机的长期记忆，容量信息，控制其他部件快但容量小它们像计算机的感官和肢体，大但速度慢负责接收信息和输出结果计算机运算基础二进制数算术运算逻辑运算数据表示计算机使用二进制数进行运算包括加、减、乘、除等基本运包括与、或、非、异或等运算计算机使用不同的编码方案表它由0和1组成，表示开和算，用于处理数据，用于控制数据流示数据，例如整数、浮点数、关，方便用电子器件实现字符等数字逻辑电路数字逻辑电路是计算机系统的基础，负责处理数字信号它由基本逻辑门组成，例如与门、或门、非门等通过组合这些逻辑门，可以实现各种逻辑功能，例如加法器、减法器、比较器等运算器设计运算器功能运算器是计算机的核心部件，负责执行算术运算和逻辑运算运算器结构运算器通常包含算术逻辑单元ALU、寄存器组和数据通路ALU设计ALU是运算器的核心，负责执行各种运算操作，如加减乘除、逻辑运算等数据通路设计数据通路是数据在运算器中传输的路径，包括数据总线、控制信号等性能优化运算器的性能可以通过优化数据通路、使用流水线技术等方法来提升控制器设计指令译码1控制器从指令寄存器中获取指令，将其译码，生成相应的控制信号时序控制2根据指令的功能和操作数，控制器控制各个部件完成操作，协调各个部件的活动数据通路控制3控制器控制数据在各个部件之间的流动，确保数据按照指令的要求进行处理存储器系统存储器概述存储器类型12计算机系统中的存储器是用来存放数据的它提供了一种机制，存储器系统通常包括主存储器（RAM）和辅助存储器（磁盘）允许计算机在运行程序时访问数据和指令RAM用于存放正在执行的程序和数据，磁盘用于长期存储数据存储器层次结构存储器管理34为了提高系统性能，现代计算机系统通常采用存储器层次结构，操作系统负责管理存储器，包括分配和回收内存，以及管理内存它包含多个级别的存储器，每个级别都有不同的容量和速度访问权限存储器层次结构现代计算机系统采用存储器层次结构来提高性能和效率该结构将不同速度和成本的存储器组合在一起，以创建最优的存储系统高速缓存1速度最快、成本最高的存储器，用于存储最常用的数据主存储器2速度较快、成本较低的存储器，用于存储当前正在使用的程序和数据辅助存储器3速度最慢、成本最低的存储器，用于存储长期保存的数据这种层次结构有效地平衡了速度、成本和容量的权衡主存储器特点主存储器的特点是存取速度快，但容量有限，价格较高其主要用途包括存储正在执行的程序指令和操作数据，以及存放程序运行过程中产生的中间结果和最终结果主存储器通常采用半导体器件制造，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点主要功能主存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一它是CPU直接访问的存储器，用于存放程序和数据主存储器可分为静态随机存取存储器SRAM和动态随机存取存储器DRAM辅助存储器

11.大容量

22.低成本辅助存储器通常具有比主存储辅助存储器的成本通常低于主器更大的容量，用于存储大量存储器，适合存储不经常访问数据和程序的数据

33.持久性

44.速度慢辅助存储器中的数据在断电后辅助存储器的访问速度比主存不会丢失，可以长期保存储器慢，因此不适合直接执行程序输入输出系统/输入设备输出设备数据传输I/O接口键盘、鼠标等用于将数据和指显示器、打印机等用于将计算I/O设备与CPU之间通过数据传I/O接口是I/O设备与系统总线连令输入到计算机中机处理结果输出到外部输线进行通信接的桥梁中央处理器中央处理器CPU是计算机系统的核心组件，负责执行指令和处理数据它由运算器、控制器、寄存器和高速缓存组成，是计算机的“大脑”CPU负责处理来自主存储器或外部设备的指令，并根据指令执行相应的操作，包括算术运算、逻辑运算、数据传输等结构CPU运算器控制器执行算术和逻辑运算控制计算机的运行寄存器组时钟临时存储数据和指令控制计算机的运行速度指令系统设计指令格式1指令操作码、地址码指令类型2数据传输、算术运算、逻辑运算、程序控制、I/O操作寻址方式3立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、相对寻址指令集设计4指令集的完整性、有效性、效率和可扩展性指令系统是CPU执行程序的基础，它规定了计算机能执行的指令类型、格式和寻址方式指令系统的设计需要考虑指令集的完整性、有效性、效率和可扩展性，以满足不同的应用需求微程序控制微程序控制特点微程序控制使用微程序来实现指•控制逻辑简单令的功能，指令的执行流程被分•易于实现复杂指令解成一系列微指令，微指令序列•灵活性和可修改性高存储在控制存储器中应用微程序控制广泛应用于各种计算机系统中，尤其在早期的计算机系统中，微程序控制是主要的控制方式流水线技术指令流水线将一条指令的执行过程分解为多个子步骤，每个子步骤由一个专用部件完成流水线结构多个指令同时在流水线中不同阶段执行，提高了CPU的执行效率数据冒险流水线执行过程中，可能出现数据依赖问题，需要通过各种技术来解决结构冒险当多个指令需要同时访问同一资源时，会发生结构冒险，需要通过设计来避免控制冒险由于分支指令的预测问题，可能会导致控制冒险，需要采用预测机制来优化缓存技术概念工作原理缓存技术是指将经常访问的数据存储在更当系统需要访问数据时，首先查看缓存，快速的存储设备中，例如高速缓存（如果数据存在则直接读取，如果不存在则Cache），以加快访问速度这是一种提从主存储器或磁盘中读取并复制到缓存中高系统性能的重要方法，尤其在大型数据，以便下次访问时可以更快地读取处理和频繁访问数据的场景中总线系统数据传输通道连接各个组件12总线是计算机系统中各个部件总线是计算机系统的骨干，它之间传递信息的公共通路它连接了CPU、内存、外设等各是一个共享的电子通道，负责个重要组件，实现它们之间的在CPU、内存、外设之间传输数据交换数据、地址和控制信号数据、地址和控制信号总线类型34总线通常分为数据总线、地址总线类型根据功能、结构和传总线和控制总线，分别用于传输方式可分为系统总线、外部输数据、地址和控制信息总线和内部总线等外围设备输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等显示器、打印机、音箱等，负责，负责将外部信息输入到计算机将计算机系统处理的结果输出到系统外部存储设备网络设备硬盘、光盘、U盘等，负责存储计网卡、路由器、交换机等，负责算机系统的数据和程序连接计算机系统和其他网络设备软件系统系统软件应用软件中间件系统软件负责管理计算机硬件资源，提供用应用软件直接为用户提供服务，满足用户特中间件连接系统软件和应用软件，提供更复户程序运行环境定需求杂的功能操作系统资源管理操作系统负责管理计算机系统资源，例如CPU、内存、外设、文件用户界面操作系统提供用户界面，例如图形界面，帮助用户与计算机交互网络管理操作系统管理网络连接，支持文件共享、打印机共享等计算机系统性能分析计算机系统性能分析是评估计算机系统性能的关键环节它通过分析系统运行数据，识别瓶颈，优化系统配置，提升系统性能性能指标含义吞吐率单位时间内处理的数据量响应时间系统对用户请求的响应时间利用率系统资源的利用率可靠性系统稳定运行的时间比例性能评价指标运行速度吞吐量CPU时钟频率、指令执行时间、内存访问速度单位时间内系统处理的数据量，例如每秒传输等指标，反映系统处理数据的能力的数据量或每分钟处理的请求数性价比可靠性衡量系统性能与成本的比例，通常用每单位性系统长时间稳定运行的能力，包括出错率、平能的成本表示均无故障时间MTBF等指标性能提高技术缓存技术流水线技术缓存技术利用高速缓存存储器，流水线技术将指令执行过程分解将经常访问的数据或指令存储在成多个阶段，并通过多个功能部缓存中，减少访问主存储器的次件同时执行不同阶段的指令，提数，从而提高系统性能高指令执行效率并行处理技术优化算法和数据结构并行处理技术利用多个处理器同优化算法和数据结构可以有效地时执行指令，提高系统处理能力提高程序的执行效率，例如使用并行处理技术包括多核处理器高效的排序算法、查找算法和数、多处理器系统和分布式计算等据压缩技术等未来发展趋势量子计算人工智能云计算物联网量子计算是一种全新的计算模人工智能将持续发展，在更多云计算将更加普及，提供更强物联网将连接更多设备，实现式，它利用量子力学原理来进领域发挥作用，例如自然语言大的计算能力、存储空间和数万物互联，推动智慧城市和智行计算处理、机器视觉和自动驾驶等据分析能力能家居的发展课程总结课程收获未来展望本课程介绍了计算机系统的基本组成和工计算机技术不断发展，学习计算机组成原作原理学生们了解了CPU、内存、存储理能够帮助学生更好地理解现代计算机系器等关键组件的功能和相互作用课程还统的复杂性和发展趋势，为未来的学习和涵盖了指令系统、微程序控制、流水线技研究打下坚实基础鼓励学生继续深入学术等关键概念，为学生进一步学习计算机习相关知识，探索计算机科学的奥秘科学打下了坚实基础问答环节这是我们今天课程的最后环节，欢迎大家提出问题，我们会尽力解答提问可以是关于课程内容的任何方面，例如计算机组成原理的基本概念、计算机系统的硬件结构、软件系统的基本原理、性能分析方法、未来发展趋势等等如果您对课程内容有任何疑问，请不要犹豫，尽情提问让我们共同深入探讨计算机组成原理的奥秘！课程反馈

11.内容满意度

22.教学方式您对课程内容的深度、广度和实用性是您认为授课方式是否有效，是否激发了否满意？您的学习兴趣？

33.教师评价

44.课程改进建议您对教师的专业水平、教学态度和互动您对课程内容、教学方式或其他方面有能力的评价如何？什么改进建议？。