《计算机组成原理》课件演示

计算机组成原理欢迎来到计算机组成原理课程，我们将一起深入了解计算机系统内部的奥秘，从数据存储到指令执行，揭示计算机运行的底层机制计算机系统的基本组成硬件系统软件系统计算机系统的硬件部分包括中央处理单元、主存储器软件系统负责指挥硬件工作，包括操作系统、应用软件、驱动程CPU、输入输出设备、外部存储器硬盘等序等，为用户提供友好的界面和功能RAM/I/O计算机系统的发展历程第一代（1946-1959）1以电子管为主要元器件，体积庞大，功耗高，主要用于科学计算第二代（1959-1964）2以晶体管为主要元器件，体积缩小，功耗降低，开始应用于商业领域第三代（1964-1971）3以集成电路为主要元器件，体积更小，功耗更低，出现了小型机和个人计算机第四代（1971-至今）4以大规模集成电路和超大规模集成电路为主要元器件，出现了微型计算机和网络计算机数据的存储和表示数据类型数据编码数据类型包括整数、浮点数、字数据编码是将数据转换为计算机符、布尔值等，用于描述不同类可以识别的二进制形式，常用的型数据的特点编码方式包括、ASCII Unicode等数据存储数据存储在计算机的内存和硬盘中，内存用于存储正在执行的程序和数据，硬盘用于长期存储数据二进制数系及其运算二进制数系二进制运算二进制数系是计算机使用的基本数系，只有和两个数字，二进制运算包括加法、减法、乘法、除法等，遵循特定的规则，01分别代表关和开状态类似于十进制运算“”“”数字逻辑电路基础1数字逻辑电路是计算机系统中2常用的逻辑门包括与门、或门处理数据的基本单元，使用逻、非门、异或门等，它们可以辑门来实现逻辑运算组合实现更复杂的逻辑功能3数字逻辑电路的设计遵循布尔代数的原理，使用逻辑表达式和真值表进行分析和设计组合逻辑电路设计组合逻辑电路组合逻辑电路的输出只取决于当前的输入，不依赖于电路的过去状态设计步骤组合逻辑电路的设计包括功能分析、逻辑表达式推导、电路实现等步骤常用电路常用的组合逻辑电路包括编码器、译码器、加法器、比较器等，广泛应用于计算机系统中时序逻辑电路设计存储单元时序逻辑电路通常使用触发器来存储状2态，触发器是记忆功能的基本单元时序逻辑电路1时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还依赖于电路的过去状态设计方法时序逻辑电路的设计通常使用状态机模型，通过描述状态和状态转移来实现逻3辑功能的基本概念CPU核心部件功能模块时钟频率中央处理单元是包含运算器、控制的时钟频率决定了CPU CPU CPU计算机系统的核心部件器、寄存器组等功能模执行指令的速度，CPU，负责执行指令、控制块，协同工作完成指令频率越高，速度越快数据处理、协调系统工的执行作的工作流程CPU写回执行将执行结果写入到指定的寄存译码根据指令的类型，执行相应的器或内存地址中取指令对指令进行分析，识别指令的操作，例如数据运算、内存访从主存储器中读取下一条指令类型、操作码、操作数等信息问、操作等I/O，存储到指令寄存器中的运算器组成CPU算术逻辑单元执行加减乘除、逻辑运算、比较ALU等操作寄存器组存放操作数、中间结果和状态信息地址生成单元生成内存操作所需的地址的控制器组成CPU指令译码器时序控制电路地址生成电路指令计数器将指令的编码转换为控制信产生各种时序信号，控制生成访问主存储器和设存放下一条要执行指令的地I/O号，控制各个模块的执内部各模块的同步工作备所需的地址址CPU CPU行指令系统基础指令系统是可以执行的指指令系统包括数据传送指令、CPU令集合，是的核心部分，算术逻辑指令、控制转移指令CPU决定了的功能和性能、指令等，用于完成不同的CPU I/O操作指令的长度、格式、寻址方式等对的执行效率和性能都有重要影CPU响指令格式和寻址方式指令格式1指令格式定义了指令的组成部分，包括操作码、操作数地址、其他信息等寻址方式2寻址方式是指指令如何确定操作数的地址，常用的寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址等指令执行过程取指令1从主存储器中读取下一条指令，存储到指令寄存器中译码2对指令进行分析，识别指令的类型、操作码、操作数等信息执行3根据指令的类型，执行相应的操作，例如数据运算、内存访问、I/O操作等写回4将执行结果写入到指定的寄存器或内存地址中中断处理机制中断概念中断是指在执行指令的过程中，遇到某些事件而暂停当CPU前程序的执行，转而处理这些事件中断类型中断类型包括硬件中断和软件中断，硬件中断由硬件设备产生，软件中断由程序产生中断处理过程中断处理过程包括中断请求、中断响应、中断处理、中断返回等步骤存储系统概述存储层次结构存储器管理存储系统采用多级存储结构，从存储器管理负责管理和分配存储速度快、容量小的缓存到速度慢空间，确保程序和数据能够高效、容量大的硬盘，形成层次结构地使用存储资源，以提高存储效率存储器保护存储器保护机制用于防止程序之间互相访问，保证数据的安全和系统稳定主存储器的组成内存芯片内存控制器内存地址译码器主存储器由多个内存芯片组成，每个芯内存控制器负责管理和控制内存的读写内存地址译码器将逻辑地址转换为物理片包含多个存储单元，用于存储程序和操作，实现内存与之间的交互地址，以便访问具体的存储单元CPU数据主存储器的访问方式顺序访问顺序访问存储器需要按照顺序访SAM2问存储单元，访问时间与存储单元的位随机访问置有关1随机访问存储器能够以相同的RAM速度访问任何一个存储单元，访问时间直接访问与存储单元的位置无关直接访问存储器可以直接访问指DAM定的存储单元，访问时间与存储单元的3位置无关高速缓存存储器缓存概念1高速缓存是位于和主存储器之间的一级存储器，用于存放经常使用的数据和指令，以提高访Cache CPU问速度缓存机制2当需要访问数据时，先检查缓存，如果命中，则直接读取缓存中的数据，否则CPU从主存储器中读取数据并写入缓存缓存策略3常用的缓存策略包括直接映射、全相联映射、组相联映射等，用于优化缓存的访问效率外部存储器硬盘固态硬盘光盘硬盘是计算机系统中用于长期存储数据的固态硬盘使用闪存芯片存储数据，光盘是一种可读写或只读的外部存储器，SSD外部存储器，具有容量大、价格低的特点速度更快，但价格更高，是硬盘的升级替用于存储数据、软件、音乐等代品输入输出系统概述1输入输出系统负责计算2设备种类繁多，包括键盘I/O I/O机与外部世界的信息交互，包、鼠标、显示器、打印机、网括接收用户输入、输出处理结络接口等，用于完成不同的输果等入输出功能3系统的设计目标是提高数据传输效率、降低系统开销、保证数据安I/O全输入输出接口接口概念接口功能接口类型输入输出接口是设备与计算机系统之接口负责数据传输、地址译码、状态控常见的接口类型包括串行接口、并行接I/O间连接的桥梁，用于协调设备与制、中断处理等功能，实现设备与口、接口、网络接口等，用于连接I/O I/O USB之间的通信的数据交换不同的设备CPU CPU I/O直接存储器访问DMA概念直接存储器访问是一种数据传输技术，允许设备直DMA I/O接访问主存储器，绕过，提高数据传输效率CPUDMA控制器控制器负责管理操作，控制数据传输的起始地址、DMA DMA传输长度、传输方向等DMA工作流程工作流程包括请求、响应、传输、DMA DMA DMADMADMA完成等步骤中断处理机制中断概念1中断是指在执行指令的过程中，遇到某些事件而暂停当CPU前程序的执行，转而处理这些事件中断类型2中断类型包括硬件中断和软件中断，硬件中断由硬件设备产生，软件中断由程序产生中断处理过程3中断处理过程包括中断请求、中断响应、中断处理、中断返回等步骤总线系统概述总线概念总线类型总线特点总线是计算机系统中连接各个部件的总线类型包括内部总线、外部总线、总线具有共享性、并行性、时序性、公共通路，用于传输数据、地址、控系统总线等，用于连接不同的部件，多路复用性等特点，是计算机系统中制信号等信息例如、内存、设备等重要的组成部分CPU I/O总线分类及属性总线分类总线可以根据传输信息类型、拓扑结构、传输方式等进行分类，例如地址总线

1、数据总线、控制总线、并行总线、串行总线等总线属性2总线属性包括总线宽度、总线频率、总线传输速率、总线协议等，决定了总线的性能指标总线控制方式分布式控制2分布式控制方式由各个部件共同管理总线，每个部件都有一定的控制权集中式控制1集中式控制方式由一个专门的控制器管理总线，负责协调各个部件的访问混合式控制混合式控制方式将集中式控制和分布式3控制结合起来，以提高总线效率与总线的连接CPU地址总线数据总线控制总线通过地址总线向内存和设备发通过数据总线与内存和设备进通过控制总线向内存和设备发CPUI/O CPUI/O CPUI/O送地址信号，确定要访问的存储单元或行数据传输，传输指令、数据等信息送控制信号，控制数据的读写、操作类设备型、传输方式等I/O存储器与总线的连接内存地址译码器内存地址译码器将逻辑地址转换为物理地址，以便访问具体的存储单元内存控制器内存控制器负责管理和控制内存的读写操作，实现内存与CPU之间的交互数据缓冲器数据缓冲器用于暂时存储数据，以便在总线和内存之间进行数据交换输入输出设备与总线的连接I/O接口1接口是设备与计算机系统之间连接的桥梁，用于协调设备与之间的通信I/O I/O I/O CPUI/O控制器2控制器负责控制设备的工作，实现设备与的数据交换I/O I/O I/O CPUI/O驱动程序3驱动程序是操作系统的一部分，负责管理和控制设备I/O I/O，为应用程序提供功能I/O单处理器系统结构系统结构工作流程单处理器系统结构是指系统只有一个，所有的程序和数据都单处理器系统的工作流程包括取指令、译码、执行、写回等步骤CPU需要由处理，由顺序执行指令CPUCPU多处理器系统结构系统结构类型优势多处理器系统结构是指系统有多个多处理器系统可以分为对称多处理器多处理器系统可以提高系统性能、可靠CPU，可以同时执行多个程序和任务，提高和非对称多处理器，它们性、扩展性，在高性能计算、服务器等SMP ASMP系统效率在的控制和分配方式上有所不同领域应用广泛CPU流水线技术流水线类型常用的流水线类型包括单功能流水线、2多功能流水线、超标量流水线等，用于流水线概念实现不同的指令执行方式1流水线技术将指令执行过程分解为多个阶段，不同的阶段可以同时执行不同的流水线效率指令，提高指令执行效率流水线效率取决于流水线阶段的数目、流水线之间的依赖关系、数据冲突等因3素超标量技术超标量概念超标量技术是指在一个时钟周期内可以执行多条指令，CPU通过并行执行指令来提高指令执行效率指令调度超标量技术需要进行指令调度，将不相关的指令分配到不同的执行单元，以实现并行执行数据依赖性超标量技术需要考虑指令之间的数据依赖性，避免指令之间的冲突，保证指令执行的正确性并行处理技术并行处理概念并行处理类型并行处理技术是指使用多个处理并行处理技术包括多处理器系统器或多个处理单元来同时执行多、处理器、计算等，SIMD GPU个任务，提高系统整体处理能力用于实现不同的并行计算方式并行处理应用并行处理技术在科学计算、人工智能、数据分析、图像处理等领域应用广泛，为解决大型计算问题提供了有效的方法计算机系统性能评价1计算机系统性能评价是指对计2性能指标包括执行速度、吞吐算机系统的性能进行评估，衡量、响应时间、资源利用率等量系统的工作效率和质量，用于评估系统的不同方面3性能评价方法包括基准测试、性能分析、系统模拟等，用于客观地评估系统的性能性能指标及其测量执行速度1衡量执行指令的速度，通常用时钟频率、每秒指令执行次数等指CPU IPC标来表示吞吐量2衡量系统在单位时间内处理的数据量，通常用每秒传输的数据量、每秒完成的任务数量等指标来表示响应时间3衡量系统对用户请求的响应速度，通常用完成某项操作所需的时间来表示资源利用率4衡量系统资源的使用效率，通常用使用率、内存使用率、磁盘使用率等CPU指标来表示性能优化方法硬件优化通过升级硬件设备、优化系统配置等方法来提高系统性能，例如更换更高性能的、增加内存容量等CPU软件优化通过调整软件配置、优化算法、减少系统开销等方法来提高系统性能，例如优化程序代码、减少系统调用等系统优化通过调整系统参数、优化系统资源管理、提高系统效率等方法来提高系统性能，例如调整内存管理策略、优化磁盘调度算法等计算机系统电源电源类型电源参数电源设计计算机系统电源主要分为开关电源和直电源参数包括输出功率、输出电压、输电源设计需要考虑电压转换、电流稳定流电源，开关电源效率更高，应用更广出电流等，需要根据计算机系统的需求性、散热等因素，确保电源能够稳定可泛选择合适的电源靠地为系统供电散热系统设计散热系统是计算机系统的重要常用的散热方式包括风冷散热组成部分，用于将、、水冷散热、液氮散热等，根CPU GPU、内存等发热部件产生的热量据计算机系统的需求选择合适散发出系统外，保证系统的正的散热方案常运行散热系统设计需要考虑散热器的大小、风扇的转速、散热材料的选择等因素，以提高散热效率计算机系统可靠性可靠性概念可靠性指标提高可靠性计算机系统可靠性是指可靠性指标包括平均无提高系统可靠性的方法系统在规定的时间内和故障时间、平包括冗余设计、错误检MTBF规定的条件下，能够正均修复时间、测与纠正、系统维护、MTTR常运行的概率，衡量系故障率等，用于评估系软件质量保证等统稳定性和抗故障能力统的可靠性水平计算机系统故障诊断故障诊断概念1故障诊断是指对计算机系统出现的故障进行分析和定位，找出故障原因并进行修复诊断方法2常用的诊断方法包括系统日志分析、硬件测试工具、软件调试工具等，用于帮助用户快速定位故障诊断流程3故障诊断流程包括故障现象收集、故障分析、故障定位、故障修复、故障验证等步骤计算机系统维护维护概念计算机系统维护是指对系统进行定期检查、保养、更新、升级等工作，以保证系统能够持续稳定地运行维护内容系统维护的内容包括硬件维护、软件维护、数据维护、安全维护等，以保证系统的安全性和可靠性维护方法常用的维护方法包括定期检查、系统更新、数据备份、安全扫描、故障排除等，以保证系统的正常运行计算机系统安全安全威胁安全措施安全意识计算机系统安全面临着各种威胁，包括常用的安全措施包括安装杀毒软件、防良好的安全意识是保障系统安全的重要病毒、木马、黑客攻击、数据泄露等，火墙、安全策略等，以提高系统安全性因素，用户应该了解常见的安全威胁和需要采取措施进行防御防御措施，并养成良好的安全习惯计算机系统冗余设计冗余设计概念冗余类型冗余优势冗余设计是指在系统中添加冗余部件冗余类型包括硬件冗余、软件冗余、冗余设计可以提高系统的可靠性、可，即使某个部件出现故障，系统也能信息冗余等，可以根据系统的需求选用性、容错性，适用于对系统稳定性正常运行择合适的冗余方式要求高的场合课程总结通过本课程的学习，我们对计算机系统的组成原理有了深入的了解，掌握了从数据存储到指令执行的底层机制，为未来学习计算机相关领域打下了坚实的基础。