唐朔飞计算机组成原理课件

计算机组成原理深入理解计算机硬件系统的内部工作原理，掌握计算机系统的设计、实现和运行机制计算机系统层次结构硬件层操作系统层包括计算机的物理部件，如管理硬件资源，为用户提供操作CPU、内存、硬盘、主板等接口应用程序层用户使用的各种软件，如游戏、办公软件、浏览器等数据的表示和运算数制转换十进制、二进制、八进制、十六进制之间的转换方法和规则，例如十进制转换为二进制，需要不断除以2并取余数，余数从低位到高位排列即为二进制表示数据编码了解常见的字符编码方式，如ASCII码、Unicode编码，以及它们在计算机系统中的应用，例如ASCII码用于表示英语字母、数字和符号，Unicode编码可以表示世界上各种语言的字符算术运算二进制数的加减乘除运算规则，以及溢出判断和处理方法，例如二进制加法运算与十进制加法类似，但进位和借位规则有所不同逻辑运算了解常见的逻辑运算，如与、或、非、异或运算，以及它们的运算规律和应用场景，例如逻辑运算在计算机中用于控制程序流程和数据判断数字逻辑电路基础数字逻辑电路是计算机系统中最基本的部分它使用二进制数字（0和1）来表示和处理信息数字逻辑电路可以实现各种逻辑运算，例如与、或、非、异或等这些运算用于构建更复杂的逻辑电路，例如加法器、减法器、比较器等数字逻辑电路的基础包括基本逻辑门，例如与门、或门、非门、异或门等这些逻辑门是构建更复杂电路的构建块学习数字逻辑电路的基础知识是理解计算机系统工作原理的关键组合逻辑电路设计电路分析1组合逻辑电路分析是设计的第一步，根据电路的功能需求，确定逻辑函数表达式逻辑化简2通过各种化简方法，如卡诺图法、代数化简法，将逻辑函数表达式简化成最简形式电路实现3将简化的逻辑函数表达式，用逻辑门电路或其他可实现方式构建实际电路时序逻辑电路设计时序电路分类1同步时序电路和异步时序电路触发器2基本单元，如SR、D、JK、T触发器计数器3二进制计数器，十进制计数器移位寄存器4串行输入/输出，并行输入/输出时序逻辑电路的核心在于状态存储和状态转移，通过触发器来实现状态存储，并利用组合逻辑电路实现状态转移逻辑的发展历程CPU从第一台电子计算机诞生至今，CPU技术经历了飞速的发展，从简单的单指令流单数据流（SISD）架构，演变为多核、超线程等先进的架构，不断提升性能和效率19461950s晶体管ENIAC世界上第一台通用电子计算机取代电子管，降低功耗和体积1970s1980s集成电路微处理器将多个晶体管集成到一块芯片上将CPU集成到一块芯片上指令系统和寻址方式指令格式寻址方式指令集架构定义指令的操作码、操作数和地址字段的排确定操作数在内存中的地址，包括立即寻定义CPU可以执行的指令集，影响程序性能列方式址、直接寻址、寄存器寻址等和代码效率指令流水线指令获取1从内存中读取指令指令译码2将指令转换为CPU可理解的格式执行操作3根据指令执行操作写回结果4将结果写入寄存器或内存流水线是现代CPU中提高性能的关键技术它通过将指令执行过程分解成多个阶段，并使多个指令同时处于不同阶段，以提高指令执行效率流水线的设计与实现需要考虑数据依赖关系和资源冲突等问题例如，采用数据转发机制，将上一个阶段的计算结果直接传递给下一个阶段，以减少数据依赖带来的延迟存储器层次结构多级存储体系原理为了提高系统性能，现代计算机通常采用多级存储体系程序和数据会首先加载到高速缓存中，以便快速访问各级存储器按速度、容量和成本进行划分，高速缓存（Cache）位如果访问的数据不在高速缓存中，就会从主存储器中获取，然后于最顶层，容量小且速度快，主存储器（RAM）位于中间，容量将其加载到高速缓存中大且速度中等，辅助存储器（硬盘）位于最底层，容量最大但速如果数据不在主存储器中，则需要从辅助存储器中读取，这是一度最慢个比较缓慢的过程主存储器技术主存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一，它用于存放正在执行的程序和数据主存储器技术直接影响着计算机的性能、成本和可靠性常见的内存类型包括DRAM和SRAM，它们在速度、容量和成本方面各有优劣缓存存储器高速缓存缓存命中率缓存替换算法缓存一致性缓存存储器是位于CPU和主存缓存命中率是指CPU访问的数缓存替换算法用于决定当缓存缓存一致性是指在多处理器系储器之间的一种高速存储器，据或指令在缓存中找到的概已满时，哪个数据块应该被替统中，多个缓存之间的数据一用于存储经常访问的数据和指率，越高表示缓存效率越高换掉，常用的算法包括FIFO、致性问题，需要通过协议来保令，提高系统性能LRU和LFU证数据的正确性虚拟存储器扩大地址空间多任务处理

1.

2.12使用虚拟存储器技术，可以将虚拟存储器可以允许多个进程程序和数据加载到磁盘上，有共享同一个物理内存，从而提效地扩展了计算机系统的可用高系统资源利用率，支持多任地址空间务的运行页面置换算法提高安全性和隔离性

3.

4.34虚拟存储器需要使用页面置换虚拟存储器通过对内存进行分算法来管理内存和磁盘之间的段和分页，可以提高系统安全页面交换，提高系统效率性和隔离性，保护不同进程之间的内存空间输入输出系统输入设备1键盘、鼠标、扫描仪等设备将外部信息转换为计算机可处理的信号输出设备2显示器、打印机等将计算机处理结果以用户可感知的方式呈现控制器I/O3负责控制输入输出设备，协调数据传输，并提供与CPU的通信接口总线结构和接口技术总线类型总线标准12计算机系统中存在多种总线，不同的总线标准，例如PCI、包括数据总线、地址总线和控USB和SATA，具有不同的性能制总线，它们协同工作以传输指标、连接方式和应用场景数据、地址和控制信号接口设计数据传输34接口设计涉及总线连接器、协总线传输数据的方式包括同步议规范和驱动程序，以确保设传输和异步传输，它们在时钟备与总线之间的有效通信信号和数据传输方式上有所区别和中断机制DMADMA（直接内存访问）是一种高性能数据传输技术，它允许外设直接访问主内存，绕过CPU，从而提高数据传输效率DMA控制器负责管理数据传输过程，并将数据直接从外设传输到内存或从内存传输到外设DMA控制器可以根据预先设置的指令执行数据传输操作，无需CPU的参与，从而释放CPU的处理能力，提高系统性能中断是一种硬件或软件事件通知机制，它可以使CPU在执行其他任务时，能够及时响应某些事件，例如键盘输入、磁盘读写完成、网络数据到达等等中断处理程序会根据中断请求来处理相应的事件，并返回到之前的程序执行中断机制1事件通知传输DMA2数据传输CPU3程序控制微程序控制定义优点微程序控制使用一个存储器来存放各种指令的执行步骤，每个步微程序控制方式灵活，易于实现复杂指令骤对应一个微指令易于修改和扩展指令系统微指令的执行顺序由微程序控制器控制，从而实现各种指令的操作和处理器CISC RISC性能比较CISC RISCCISC处理器拥有复杂的指令集，可以执行RISC处理器拥有简化的指令集，指令执行RISC处理器在速度和功耗方面通常优于各种复杂的操作，但指令执行速度较慢速度快，但需要更多的指令来完成复杂的操CISC处理器，但CISC处理器在某些情况下作更适合执行复杂的指令超标量与多核处理器超标量处理器通过在同一时钟周期内执行多条指令来提高性能多核处理器将多个处理器核心集成到一个芯片上，以并行执行多个任务超标量和多核处理器是现代计算机系统中提高性能的关键技术超标量技术通常用于单个处理器核心，而多核处理器则提供更大的并行处理能力并行处理技术多核处理器图形处理器分布式计算并行编程模型在单个芯片上集成多个处理器利用GPU的并行架构，加速图将计算任务分布到多个服务器提供工具和框架，方便开发人核心，提高并行处理能力形渲染、科学计算等任务上，提高处理效率员编写并行程序计算机性能评价计算机性能评价是一个复杂的过程，涉及多方面的指标主要指标包括吞吐量、响应时间、CPU利用率、内存利用率等计算机系统设计优化性能优化提高计算机系统性能，例如CPU速度、内存带宽、硬盘速度等可通过硬件升级或软件优化来实现功耗优化降低计算机系统功耗，减少能源消耗可通过使用低功耗组件、优化软件算法、设计节能模式等方式实现可靠性优化提高计算机系统的可靠性，减少系统故障和错误可通过使用冗余组件、错误检测和纠正机制、系统监控等方式实现可扩展性优化设计易于扩展的计算机系统，方便将来升级和添加新的功能可通过采用模块化设计、标准接口、开放式架构等方式实现安全性优化提高计算机系统的安全性，防止恶意攻击和数据泄露可通过使用安全协议、加密技术、访问控制机制、安全漏洞修复等方式实现低功耗和实时技术低功耗设计实时性要求应用场景降低能耗，延长设备运行时间，提高电及时响应外部事件，确保系统在严格的嵌入式系统、物联网设备、医疗设备等池续航能力时间限制内完成操作领域，对功耗和实时性有较高要求嵌入式系统组成嵌入式系统通常包括微处理器、存储器、输入输出设备等基本硬件组件此外，嵌入式系统还可能包含传感器、执行器、通信接口等特定应用所需的组件这些组件通过总线互连，由嵌入式操作系统和应用程序软件进行控制，共同完成特定任务处理器架构ARM架构多种处理器广泛应用RISCARM架构基于精简指令集RISC原理，简ARM架构支持多种处理器，包括Cortex-A ARM处理器广泛应用于智能手机、平板电化指令集，提升性能系列、Cortex-R系列和Cortex-M系列脑、嵌入式系统等领域创新型设计CPU超标量设计异构计算量子计算神经形态计算提高指令级并行性，优化流水整合CPU和GPU，根据任务类型利用量子力学原理，开发新型模拟人脑神经网络结构，高效线调度，提升处理速度选择最佳执行单元，提高性计算模型，突破传统计算极处理图像、语音等复杂数据能限未来计算机发展趋势计算机技术发展日新月异，未来计算机将会朝着更高性能、更低功耗、更智能化方向发展量子计算1量子计算机利用量子力学原理，实现指数级加速，解决传统计算机难以解决的问题人工智能2人工智能赋能计算机，实现自主学习、决策、执行，扩展计算机能力边界边缘计算3边缘计算将计算资源部署到网络边缘，降低延迟，提升响应速度可持续计算4未来计算机设计将更加注重节能环保，实现可持续发展经典设计案例分析冯诺依曼架构流水线技术·冯·诺依曼架构是最早的计算机体流水线技术通过将指令分解成多系结构之一，它将指令和数据存个阶段并行执行，提高了CPU的储在同一个地址空间中，为现代执行效率，是现代处理器中普遍计算机奠定了基础采用的技术缓存存储器架构RISC缓存存储器是介于CPU和主存储RISC架构通过简化指令集和优化器之间的高速存储器，它存储了指令流水线，提高了处理器的性经常访问的数据，有效地减少了能，成为现代高性能计算的核心CPU访问主存储器的次数技术实验与编程实践动手实践1通过实验，学生可以将理论知识与实际应用相结合，加深对计算机组成原理的理解实验内容涵盖了指令集、存储器结构、输入输出等关键概念编程实践2编程实践可以让学生运用计算机组成原理知识，编写简单的汇编程序或C语言程序，了解程序执行的过程和硬件资源的分配项目设计3项目设计是将计算机组成原理知识应用到实际问题中，例如设计一个简单的嵌入式系统或模拟CPU的工作流程考试与验收考试形式验收标准期末考试以笔试形式进行，主要考察学生对课程核心概念和关键学生需达到课程成绩合格标准，才能通过课程考核技术掌握程度成绩评价体系包括期末考试成绩和平时作业成绩，具体比例由任考试范围涵盖本课程所有内容，包括理论知识和实践操作，题型课教师制定包括选择题、填空题、简答题和编程题。