《计算机组成原理》课件

计算机组成原理本课件将带您深入了解计算机系统的核心组成部分，探索从数据表示到指令执行的奥秘计算机系统概述硬件软件包括、内存、存储器、输入输出设备等包括操作系统、应用程序、驱动程序等CPU数据的表示进制转换编码方式12了解不同进制之间的转换方法学习常用的编码方式，例如，如十进制、二进制、八进制、、码等ASCII UnicodeBCD、十六进制数据类型3掌握整数、浮点数、字符等基本数据类型的表示方式数字逻辑电路基本逻辑门组合逻辑电路了解与门、或门、非门、异或门学习组合逻辑电路的设计方法，等基本逻辑门的特性和功能例如加法器、译码器、编码器等时序逻辑电路了解时序逻辑电路的设计方法，例如计数器、寄存器等存储器主存储器辅助存储器用于存放正在运行的程序和数据，速用于长期保存数据，速度慢、容量大度快、容量小、价格高、价格低高速缓存用于存放经常访问的数据，速度更快、容量更小结构CPU控制单元1负责控制指令的执行流程，协调各个部件的工作运算单元2负责执行算术运算、逻辑运算等操作寄存器组3用于存放中间运算结果、指令地址等临时数据指令系统指令格式了解指令的组成结构，包括操作码、操作数等寻址方式学习不同的寻址方式，例如立即寻址、寄存器寻址、直接寻址等指令类型掌握数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令等不同指令类型总线系统总线概念1总线类型2总线结构3总线控制4输入输出系统设备I/O1输入设备键盘、鼠标等输出设备显示器、打印机等接口I/O2连接设备和计算机系统之间的桥梁，进行数据转换和信号控制I/O控制方法I/O3了解程序控制、中断控制、控制等方法I/O I/O DMAI/O中断机制12中断源中断处理触发中断的事件，例如键盘输入、磁操作系统接管控制权，处理中断事件盘读写完成等3中断返回返回中断前的程序，继续执行计算机性能评价性能内存性能磁盘性能CPU评价指标主频、指令集、缓存大小等评价指标带宽、延迟、容量等评价指标传输速率、访问时间、容量等计算机硬件发展趋势数值运算整数运算浮点数运算了解定点整数的表示方法，掌握加减乘除等基本运算学习浮点数的表示方法，掌握浮点数加减乘除等运算计数器和寄存器计数器1用于计数，例如程序计数器、指令计数器寄存器2用于临时存储数据，例如通用寄存器、状态寄存器存储器层次结构一级缓存二级缓存三级缓存速度最快、容量最小，用于存放最常访速度较快、容量中等，用于存放一级缓速度较慢、容量最大，用于存放二级缓问的数据存中没有的数据存中没有的数据缓存技术缓存一致性缓存替换策略确保多个缓存之间数据的一致性当缓存满时，选择淘汰哪些数据，避免数据冲突，常用的策略有、等LRU FIFO缓存命中率评价缓存性能的重要指标，表示缓存中命中的比例流水线CPU流水线概念1流水线阶段2流水线性能3流水线冲突4超标量处理器超标量概念1指令调度2数据依赖3指令级并行12指令流水线超标量技术3多核处理器数据级并行向量处理器指令集SIMD同时处理多个数据元素使用单条指令操作多个数据内存管理内存分配内存保护管理内存空间的分配和回收，保证程序正常运行防止不同程序之间相互干扰，保证系统安全稳定虚拟存储器分页系统将内存空间划分为固定大小的页面，实现虚拟内存到物理内存的映射12分段系统将程序划分为逻辑段，每个段都有独立的地址空间设备控制设备驱动程序负责管理和控制具体设备，提供统一的接口设备控制器负责控制设备的操作，与设备进行数据交换中断I/O当设备完成操作时，向发送中断信号，通知进行处理CPU CPU中断处理中断向量表1中断服务程序2中断返回3系统性能分析I/O数据传输速率1访问时间2利用率3I/ODMA123概念控制器优点DMA DMADMA直接内存访问，允许设备直接访问内存负责管理操作，控制数据传输过程提高效率，减轻负担I/O DMAI/O CPU，无需干预CPU并行处理架构多核处理器集群系统在一个芯片上集成多个核心，提高计算能力将多个独立的计算机系统连接在一起，形成一个高性能计算平台CPU并行编程模型线程模型消息传递模型使用线程来并发执行任务，例如多线程编程使用消息传递机制在不同进程之间进行通信，例如编程MPI并行算法矩阵运算1排序算法2图像处理3超级计算机高性能计算处理大规模科学计算、数据分析等任务应用领域气象预报、药物研发、材料科学等未来计算机发展趋势。