《计算机组成原理ch》课件

计算机组成原理欢迎来到计算机组成原理的世界，我们将一起探索计算机的奥秘课程介绍学习目标课程内容理解计算机系统的基本组成和工作原理，掌握计算机系统涵盖计算机组成原理的核心概念，包括处理器结构、指令各部件的功能和相互关系，并能够运用相关知识分析和解系统、存储系统、输入输出系统、并行处理技术等决实际问题计算机发展历程第五代（20世纪80年代至今）1人工智能和超大规模集成电路第四代（1971年至今）2大规模集成电路（LSI）第三代（1964-1971年）3集成电路（IC）第二代（1959-1964年）4晶体管第一代（1946-1958年）5电子管计算机硬件系统计算机硬件系统是计算机的物理组成部分，包括中央处理器、内存、存储设备硬盘、、输入输CPU RAMSSD/出设备键盘、鼠标、显示器以及连接它们的总线这些组件协同工作，执行计算机程序并处理数据硬件系统为软件提供平台，使计算机能够执行各种任务计算机体系结构定义了计算机系统的结构，包括决定计算机的性能、成本和可扩各部件的功能、性能和相互连接展性，影响着硬件和软件的设计关系抽象层次高，关注计算机系统的整体设计和功能，不涉及具体实现细节处理器结构核心缓存总线处理器的核心是其执行指令的核心部缓存是一种高速存储器，用于存储最总线是处理器与其他组件之间进行数件，它包含了算术逻辑单元、控近使用的指令和数据，以提高处理器据传输的通道，例如内存、外设和输ALU制单元和寄存器等访问数据的速度入输出接口CU指令系统指令集指令格式指令集是一组计算机能够执指令格式描述了指令中各字行的指令，它定义了计算机段的排列方式和含义，例如的功能和操作操作码、操作数地址等寻址方式寻址方式是指如何找到操作数地址，常用的寻址方式包括立CPU即寻址、直接寻址、寄存器寻址等寻址方式立即寻址直接寻址12指令中直接给出操作数的值指令中给出操作数的地址间接寻址寄存器寻址34指令中给出操作数地址的地址指令中给出操作数所在的寄存器指令流水线指令获取1从内存中读取下一条指令指令译码2将指令解码为CPU可执行的格式操作数获取3从内存或寄存器中获取操作数执行4执行指令操作，例如算术运算或数据传输结果写入5将操作结果写入寄存器或内存中央处理器性能指标描述时钟频率处理器运行速度指令周期执行一条指令所需时间吞吐量单位时间内处理的指令数执行一条指令所需的时钟周期CPI数存储系统计算机存储系统是计算机系统的重要组成部分，负责存储数据和程序，并为提供数据访问服务CPU存储系统主要包括主存储器内存和辅助存储器外存主存储器速度快、容量小、价格高，主要用于存放当前正在执行的程序和数据外存速度慢、容量大、价格低，主要用于存放长期保存的数据和程序内存层次结构缓存速度最快、容量最小，存储访问速度最快的数据和指令主存容量比缓存大、速度比缓存慢，存储正在执行的程序和数据辅助存储器容量最大、速度最慢，存储未被使用但需要保存的程序和数据存储管理机制内存分配内存保护内存共享操作系统负责分配内存给进程，并管操作系统要防止进程访问其他进程的操作系统可以允许多个进程共享同一理这些内存空间内存分配策略包括内存，确保每个进程在自己的内存空块内存，比如共享库或共享数据内连续分配、分页分配、分段分配等间内运行这可以通过硬件机制和软存共享需要特殊的机制来确保一致性件机制来实现和同步输入输出系统输入输出系统是计算机系统的重要组成部分，负责与外部设备进行数据交换输入输出系统包括输入设备、输出设备、输入输出接口和控制电路输入输出系统的工作原理是通过输入输出接口将外部设备连接到计算机系统，并由控制电路协调数据传输总线系统数据传输类型总线是计算机系统中连接各总线可分为内部总线（连接个部件的电子通路，负责传、内存和设备）和CPU I/O输数据、地址和控制信号外部总线（连接计算机系统外部设备）特点总线的特点包括带宽、传输速度、数据传输方式等，影响着计算机系统的整体性能外围设备键盘是计算机的主要输入设备，显示器是计算机的主要输出设备用于输入字符、数字和其他命令，用于显示图像和文字打印机是计算机的输出设备，用扫描仪是计算机的输入设备，用于将电子文档打印到纸张上于将纸质文档或图片扫描到计算机中中断机制中断概念1由硬件或软件事件触发中断处理2保存当前状态执行中断服务程序,中断类型3硬件中断软件中断例外,,直接存储器访问优势DMA直接存储器访问是一种数据传输方式，它允许外设直提高了数据传输效率，减轻了的负担，使可以DMA DMACPU CPU接访问主内存，绕过专注于其他任务CPU输入输出接口桥接缓冲连接和外设，实现数据临时存储数据，解决速度差CPU传输异问题控制管理外设，协调数据传输主存访问控制地址映射1生成的逻辑地址被转换为物理地址，以访问主存CPU访问权限控制2保护操作系统和用户程序的内存空间，防止非法访问内存分配3动态分配和回收内存资源，满足程序执行需求缓存技术提高系统性能减少主存压力12缓存技术通过存储最常访缓存的存在可以减轻主存问的数据来减少主存访问的负担，提高内存利用率时间，从而显著提升系统，并改善整体系统响应速性能度缓存替换策略3不同的缓存替换策略（例如，、）决定了缓存中哪些数LRU FIFO据被替换，影响着缓存的性能虚拟存储器虚拟存储器是一种利用硬盘空间来扩展主存容量的技术虚拟存储器允许程序员使用比物理内存更大的地址空间，从而可以运行更大的程序，并提高系统效率虚拟存储器利用页面或段作为基本单位，将程序和数据存放在磁盘上，并将常用的部分加载到主存中当程序需要访问不在主存中的数据时，操作系统会将该数据从磁盘加载到主存，并将不再使用的页面或段换出到磁盘页式虚拟存储分页机制页表页面置换算法将逻辑地址空间划分为固定大小的页页表用于记录页帧到页框的映射关系当页面不在内存中时，需要从磁盘加帧，并将物理地址空间划分为同样大，用于实现逻辑地址到物理地址的转载，而内存空间有限，就需要使用页小的页框换面置换算法来选择要替换的页面段式虚拟存储逻辑地址空间段表将程序地址空间划分为若干每个段在内存中都有一个唯个大小不等的段，每个段可一的段号，段表用于存储段以是代码段、数据段或堆栈号和段基址，以及段的访问段权限段页式将段进一步划分为页，并用页表管理页在内存中的位置，以提高内存利用率页式段式虚拟存储页式虚拟存储以页面为单位进行段式虚拟存储以段为单位进行地地址转换，实现逻辑地址到物理址转换，每个段是一个逻辑上完地址的映射整的单元页式段式虚拟存储将页式和段式结合，同时进行页面和段的地址转换，提供更灵活的内存管理方式并行处理技术指令级并行1数据级并行2线程级并行3指令级并行流水线技术超标量技术超线程技术将指令执行过程分解为多个阶段，使在单个时钟周期内执行多条指令，利在单个处理器上模拟多个逻辑处理器多个指令在流水线中重叠执行，提高用硬件并行性提高性能，并行执行多个线程，提高处理器利指令执行效率用率数据级并行指令级并行数据流并行单个指令中对多个数据进行多个数据并行处理，例如流操作，例如指令集水线技术SIMD多线程并行多个线程同时执行，例如多核处理器线程级并行多线程线程同步多核处理器将一个进程划分成多个线程，每个线协调多个线程访问共享资源，避免数通过多个核心同时执行不同线程，进程可以独立执行，提高程序执行效率据冲突，保证程序正确性一步提升性能，实现真正的并行计算总结与展望计算机组成原理是计算机科学的基础，它为我们理解计算机系统的运作方式提供了坚实的基础通过学习这门课程，我们能够更好地掌握计算机硬件系统的设计与实现原理，以及软件与硬件的交互关系展望未来，随着技术的不断发展，计算机组成原理将会与其他学科更加紧密地结合，并催生更多创新性的应用。