《计算机组成原理》课件

《计算机组成原理》课件欢迎来到《计算机组成原理》课程，我们将共同探索计算机内部结构，理解其工作原理，并学习如何设计和实现高效的计算系统课程简介课程目标课程内容本课程旨在帮助学生了解计算机系统的基本组成和工作原理，掌本课程将涵盖以下内容计算机系统概述、计算机硬件的发展历握计算机硬件的组成和功能，并能运用这些知识进行计算机系统程、数据的表示和运算、存储系统、的工作过程、指令系CPU的分析和设计统、输入输出系统、总线结构、缓存技术、虚拟存储器、操作系统与硬件的关系以及并行处理技术等计算机系统概述硬件系统软件系统计算机硬件系统是指计算机的物理组成部分，包括中央处理器计算机软件系统是指为计算机提供指令和数据的程序集合，包括、存储器、输入输出设备等硬件系统为软件系统提供运操作系统、应用程序等软件系统通过硬件系统的执行，实现特CPU行平台和资源定功能和任务计算机硬件的发展历程第一代电子管计算机1946-19591使用电子管作为主要元件，体积庞大、功耗高、速度慢，以和ENIAC EDSAC为代表第二代晶体管计算机1959-19642使用晶体管代替电子管，体积缩小、功耗降低、速度提高，以和IBM1401为代表IBM7090第三代集成电路计算机1964-19713使用集成电路代替晶体管，体积进一步缩小、功耗更低、速度更快，以IBM系列为代表360第四代大规模集成电路计算机至今1971-4使用大规模集成电路，计算机的性能和功能不断提升，出现了微型计算机、个人计算机和超级计算机等计算机硬件的基本组成单元中央处理器CPU计算机的核心部件，负责执行指令、控制数据处理存储器用于存储数据和程序，包括主存储器和辅助存储器硬盘、闪存等RAM输入输出设备I/O用于与外部世界交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等系统总线连接各个部件的通信通道，用于传递数据和控制信号数据的表示二进制数制十进制数制其他数制使用和两种数字表示数据，是计算我们日常使用的数制，使用到十个还包括八进制和十六进制等，常用于简0109机内部数据存储和处理的基础数字表示数据化二进制数据的表示数制转换十进制转换为二进制1不断除以取余数，余数按逆序排列即为二进制数2二进制转换为十进制2将二进制数的每一位乘以的对应位权，然后相加得到十进制数2其他数制转换3可先将其他数制转换为二进制，然后再转换为十进制运算方式1加法运算两个数相加2减法运算两个数相减3乘法运算两个数相乘4除法运算两个数相除5取模运算求两个数相除的余数逻辑运算异或运算非运算当两个操作数不同时，结果为或运算将操作数取反真与运算只要有一个操作数为真，结果只有当两个操作数都为真时，就为真结果才为真存储单元存储单元的地址存储单元的内容每个存储单元都有一个唯一的地址，用于标识存储单元的位置存储单元中存储的是数据，可以是数值、字符、指令等寄存器通用寄存器地址寄存器程序计数器状态寄存器PC用于存放通用数据，可供用于存放内存地址，用于访问用于存放下一条要执行的指令用于存放的状态信息，CPU CPU进行各种运算存储器地址例如进位标志、溢出标志等存储器层次结构高速缓存Cache1速度最快、容量最小，用于存放经常访问的数据主存储器RAM2速度较快、容量中等，用于存放正在运行的程序和数据辅助存储器硬盘3速度最慢、容量最大，用于长期保存数据和RAM ROM随机存取存储器只读存储器RAMROM可读写，速度快，断电后数据丢失只能读，速度慢，断电后数据不会丢失存储器的性能指标12容量速度存储器能够存储的数据量，单位为字存储器访问数据的速度，单位为纳秒节或字或微秒Byte Wordns us3价格存储器每单位容量的价格，单位为元或美元/GB/GB的工作过程CPU取指令解码指令1从存储器中读取指令分析指令，确定指令的操作和操作数2写回结果执行指令43将处理结果写入存储器根据指令的操作，对数据进行处理的基本结构CPU运算器执行算术和逻辑运算控制器控制整个计算机系统的运行，包括指令的获取、解码和执行寄存器组用于存放数据和指令，加快的访问速度CPU内部总线连接内部各个部件，传递数据和控制信号CPU中央处理器算术逻辑单元ALU执行算术和逻辑运算控制单元CU控制整个计算机系统的运行，包括指令的获取、解码和执行寄存器组用于存放数据和指令，加快的访问速度CPU控制单元指令译码指令执行控制时序控制将指令的二进制代码翻译成控制信号根据译码结果，控制各个部件完成指令控制各部件的操作顺序和时间的操作算术逻辑单元算术运算加减乘除等运算逻辑运算与、或、非等运算移位运算将数据向左或向右移动比较运算比较两个操作数的大小指令格式指令执行过程取指令1从存储器中读取指令指令译码2分析指令，确定指令的操作和操作数执行指令3根据指令的操作，对数据进行处理写回结果4将处理结果写入存储器流水线技术概念优点流水线技术将指令执行过程分解成多个阶段，每个阶段完成一个提高指令执行速度，提高系统吞吐量特定的操作，多个指令可以同时在不同的阶段执行，提高了的效率CPU中断机制概念类型12中断机制允许在执行程包括硬件中断和软件中断CPU序时，根据外部事件或内部异常情况，暂停当前程序的执行，转而去处理中断事件作用3提高系统效率，实现多任务处理，提供实时响应能力输入输出系统键盘鼠标显示器打印机用于输入字符和控制指令用于控制光标移动和选择操作用于显示输出信息用于将计算机输出的信息打印出来接口I/O功能作用负责协调和设备之间的通信，实现数据交换和控制将不同的设备连接到计算机系统，为各种设备提供标准化的CPU I/O I/O接口控制方式I/O程序控制方式1直接控制设备，效率低，占用资源CPU I/O CPU中断控制方式2设备通过中断信号通知，效率较高，但需要响应中断I/O CPU CPU控制方式DMA3直接内存访问，不需要干预，效率最高，适用于大量数CPU据传输技术DMA概念直接内存访问技术允许设备直接与主存储器进行DMA I/O数据交换，不需要的参与CPU优点提高数据传输速度，减轻负担，提高系统效率CPU应用适用于大容量数据传输，例如磁盘读写、网络数据传输等总线结构数据总线2用于传送数据信息地址总线1用于传送地址信息控制总线用于传送控制信号3总线的分类内部总线系统总线连接内部各个部件的总线连接、存储器、设备的CPUCPUI/O总线外部总线连接系统内部和外部设备的总线总线的时序和仲裁时序仲裁定义了总线上传输数据的顺序和时间关系当多个设备同时请求使用总线时，仲裁机制决定哪个设备可以优先使用总线主存访问控制数据传输读写操作将数据在和存储器之间传输CPU地址译码根据的读写信号，完成读写操作CPU根据发出的地址，确定访问的存储CPU单元缓存技术概念1缓存技术利用局部性原理，将经常访问的数据复制到速度更快的缓存中，提高了主存访问速度分类2包括一级缓存、二级缓存、三级缓存等作用3提高的效率，加快程序的执行速度CPU虚拟存储器概念虚拟存储器技术将主存储器和辅助存储器一起管理，为程序提供更大的虚拟地址空间优点可以运行比物理内存更大的程序，提高系统效率缺点访问速度会比物理内存慢操作系统与计算机硬件的关系1操作系统是计算机硬件与应用2操作系统提供系统调用，允许程序之间的接口，负责管理硬应用程序访问硬件资源件资源3操作系统负责内存管理、文件管理、进程管理、设备管理等并行处理技术概念类型并行处理技术是指同时执行多个任务的技术，可以提高计算机的包括多核处理器、多处理器系统、并行计算等计算速度多核处理器概念优点缺点多核处理器是指在一个提高了计算机的计算能设计和编程难度增加，芯片上集成多个力，可以同时运行多个需要考虑多核协作的问CPU内核，每个内核可以独程序题立运行程序图形处理器概念图形处理器专为图形处理和并行计算而设计，可以加速图像渲染GPU、视频处理、游戏等任务特点具有高度并行处理能力，可以同时处理大量的图形数据嵌入式系统概念1嵌入式系统是指将计算机系统嵌入到其他设备中，用于控制设备的运行特点2体积小、功耗低、成本低、可靠性高应用3广泛应用于各种电子设备，例如手机、汽车、家电等发展趋势摩尔定律云计算12集成电路的晶体管数量每个月翻一番，计算机性能不将计算资源集中到数据中心，为用户提供按需服务18断提升人工智能量子计算34计算机模仿人类智能，进行学习、推理、决策等活动利用量子力学原理进行计算，能够解决传统计算机无法解决的问题。