【课件】计算机组成原理

计算机组成原理本课程将深入探讨计算机系统的核心组成部分、工作原理和发展趋势我们将从基础到进阶，全面了解计算机的内部结构和运作机制计算机系统的基本组成中央处理器内存存储设备输入输出设备计算机的大脑，负责执行指暂时存储数据和指令，供长期保存数据和程序的设备实现人机交互的接口设备令和数据处理快速访问CPU数据的表示和运算二进制表示数据类型运算规则计算机使用二进制系统表示所有数据包括整数、浮点数、字符和布尔值等加法、减法、乘法和除法等运算遵循每个位（）可以是或不同类型有特定的表示方法特定的二进制运算规则bit01存储器的层次结构寄存器1速度最快，容量最小缓存2高速小容量存储器主存3随机访问内存（）RAM辅存4硬盘、固态硬盘等的基本组成CPU控制单元算术逻辑单元（）ALU负责指令的解码和执行控制，协调各部件工作执行算术运算和逻辑运算，如加减乘除、与或非等寄存器组内部总线用于暂存指令、数据和地址，包括通用寄存器和专用寄存连接内部各个部件，实现数据传输CPU器中央处理器的工作过程取指令1从内存中获取下一条要执行的指令指令译码2分析指令，确定操作类型和操作数执行指令3执行指令指定的操作存储结果4将执行结果存入指定的位置指令系统的基本结构操作码地址码指定要执行的操作，如加法指定操作数的位置，可能包、减法、移位等括源操作数和目标操作数地址寻址方式指令格式指定如何获取操作数，如直定义指令的长度和字段分布接寻址、间接寻址等，影响指令系统的灵活性和效率指令的类型和功能算术指令逻辑指令执行加减乘除等数学运算执行与、或、非等逻辑运算数据传送指令控制转移指令在存储器和寄存器之间移动数据改变程序执行顺序，如跳转和分支寄存器的种类和作用通用寄存器专用寄存器地址寄存器用于暂存各种数据，如操作数和中间具有特定功能，如程序计数器（）存储内存地址，用于指定数据的存取PC结果灵活性高，可由程序员直接使、指令寄存器（）和状态寄存器（位置包括内存地址寄存器（）IR MAR用）等等PSW程序计数器和指令寄存器程序计数器（）指令寄存器（）PC IR存储下一条要执行指令的地存储当前正在执行的指令址自动递增，实现顺序执保存指令的操作码和操作数行和的协作在指令周期中的角色PC IR指向下一条指令，存储在取指阶段使用，在译PC IRPC IR当前指令，共同推动指令执码和执行阶段使用行循环算术逻辑单元的结构和功能输入单元接收操作数和控制信号运算单元执行算术和逻辑运算状态寄存器存储运算结果的标志位输出单元将运算结果传送到目标位置控制单元的结构和功能指令译码时序控制12解析指令，确定操作类型生成各种控制信号，协调和操作数各部件工作微程序控制中断处理34使用微程序实现复杂指令响应和处理各种中断请求的执行存储器的分类和特点随机存取存储器（）只读存储器（）高速缓存（）RAM ROMCache可读写，断电数据丢失包括静态只读不可写，断电数据不丢失包括介于和主存之间的高速小容量存CPU（）和动态（）、和等储器，提高访存速度RAM SRAMRAM DRAMPROM EPROMEEPROM主存储器的工作原理地址译码1将内存地址转换为具体的存储单元位置读操作2从指定地址读取数据，并通过数据总线传输写操作3将数据写入指定的内存地址刷新4对于，需要定期刷新以保持数据DRAM辅助存储器的工作原理硬盘驱动器（）固态驱动器（）HDD SSD使用磁头读写磁盘表面的数据使用闪存芯片存储数据速度快具有大容量、低成本特点，无机械部件光盘存储器使用激光读写数据包括、CD DVD和蓝光光盘等输入输出系统的组成输入设备输出设备将外部信息转换为计算机可将计算机处理结果转换为人识别的形式如键盘、鼠标类可理解的形式如显示器等、打印机等接口控制器I/O I/O连接外部设备和计算机内部管理操作，协调和外I/O CPU系统，实现数据交换和控制部设备之间的数据传输输入输出设备的种类输入输出设备种类繁多，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等每种设备都有特定的数据传输方式和接口标准输入输出接口的功能数据缓冲数据转换临时存储数据，协调不同速在串行和并行数据之间进行度设备间的数据传输转换，适应不同传输方式控制和定时错误检测管理数据传输的时序，确保检测和报告数据传输过程中数据传输的正确性的错误总线系统的结构和类型数据总线地址总线控制总线传输各功能部件之间的数据双向传传输内存地址或端口地址单向传输各种控制信号包括时钟、中断I/O输，位数决定数据传输速率传输，位数决定可寻址范围、读写控制等信号总线的传输特性同步传输异步传输数据传输与时钟信号同步，适用使用握手信号控制传输，适应不于高速传输同速度设备串行传输并行传输数据按位顺序传输，适用于长距多位数据同时传输，适用于短距离传输离高速传输计算机存储层次结构寄存器1速度最快，容量最小高速缓存2速度快，容量小主存储器3速度中等，容量大辅助存储器4速度慢，容量最大缓存技术的应用局部性原理多级缓存12时间局部性和空间局部性现代处理器通常采用、L1是缓存技术的理论基础、多级缓存结构L2L3缓存映射替换算法34直接映射、全相联映射和、等算法用于决定LRU FIFO组相联映射是常用的缓存缓存块的替换映射方式虚拟存储器的原理虚拟地址空间页表页面置换为每个进程提供独立的逻辑地址空间维护虚拟页面到物理页面的映射关系当物理内存不足时，将不常用的页面，大于物理内存置换到辅存并行处理技术概述指令级并行线程级并行数据级并行任务级并行同时执行多条独立指令，如同时执行多个线程，如多线同时处理多个数据元素，如同时执行多个独立任务，如超标量和超流水线技术程处理器指令集多核处理器SIMD流水线技术的基本原理取指1从内存中取出指令译码2解析指令，确定操作类型执行3执行指令指定的操作访存4如需要，访问内存写回5将结果写回寄存器多核处理器的工作机制并行执行共享资源多个核心同时执行不同任务多核间共享某些资源，如最或同一任务的不同部分后级缓存和内存控制器核间通信负载均衡通过片上网络或共享缓存实操作系统负责在多核之间合现核心之间的数据交换理分配任务计算机硬件性能评价指标GHz MIPS时钟频率MIPS每秒钟的周期数，影响指令执每秒执行的百万条指令数，反映CPU行速度整体性能FLOPS GB/s内存带宽FLOPS每秒执行的浮点运算次数，衡量内存系统每秒可传输的数据量科学计算能力计算机系统的发展趋势处理器技术向更高集成度、更低功耗、更多核心方向发展存储技术发展新型非易失性存储器，如3D XPoint和MRAM互连技术光互连和无线互连技术的应用，提高数据传输速度新型计算范式量子计算、神经形态计算等新型计算技术的探索总结与展望基础知识重要性技术进步计算机组成原理是理解现代处理器、存储器和互连技术计算机系统的基石不断突破，推动计算能力提升新兴领域持续学习人工智能、量子计算等新领计算机技术快速发展，需要域对计算机架构提出新挑战保持学习和关注最新进展问答环节互动讨论答疑解惑实践应用鼓励学生提出问题，深入探讨课程内针对学生疑问，提供详细解答和补充讨论如何将所学知识应用到实际项目容说明中。