《计算机组成原理》课件讲稿

《计算机组成原理》课程导论欢来计组课课绍计迎大家到《算机成原理》的堂！本程旨在系统地介算机硬件系组计过课习将计统的基本成、工作原理以及设方法通本程的学，你深入了解算内数储机的部构造，掌握据的表示、运算方式、指令系统、存器系统、输入输出系统等核心概念们将计历计组我从算机的发展程入手，逐步剖析算机的各个成部分，包括运算器、储时还将绍线断控制器、存器、输入输出设备等同，介总系统、中机制、关键术讨术储层结级DMA等技，并探多处理器系统、硬件并行技、存次构等高题主课论践结过验练习本程注重理与实相合，通丰富的案例分析和实，帮助你更好地计组让们开计理解和掌握算机成原理的精髓我一起启算机科学的探索之旅吧！课程概述计算机组成原理课绍计组讨过这组来计课仅本程旨在全面介算机系统的核心成部分及其工作原理，并探如何通优化些成部分提升算机的整体性能本程不论识还践计软关涵盖理知，包括实案例分析，帮助学生深入理解算机硬件和件之间的交互系们将绍计历时计术进们详细讲计组首先，我介算机的发展程，了解不同代算机的特点和技步接着，我会解算机的各个基本成部分，例如储们还讨数储访问线断运算器、控制器、存器和输入输出系统此外，我会深入探据的表示方法、指令系统、存器方式、总系统以及中机制等重要概念课还将级题术储层结现计杂计战过本程涉及高主，如多处理器系统、硬件并行技和存次构，以帮助学生了解代算机系统的复性和设挑通课习将计计为来计关领坚础本程的学，学生能够具备分析和设算机系统的基本能力，未从事算机相域的工作打下实的基课程目标课程内容计组计历组数储理解算机系统的基本成原理算机发展程、基本成、据表示、指令系统、存器系统、数储输入输出系统等掌握据的表示、运算和存方式计算机发展历程从真空管到人工智能计历澜壮阔庞阶满创算机的发展程是一部波的科技史，从最初的然大物到如今的智能设备，每一个段都充了新与突破计为积计第一代算机使用真空管作主要元件，体巨大、功耗高、速度慢，主要用于科学算计进积缩现计进随着晶体管的发明，算机入了第二代，体大大小、功耗降低、速度提升集成电路的出，使得算机入了进规规应计第三代，运算速度一步提高，可靠性也得到了增强大模集成电路和超大模集成电路的用，催生了第四代算应计开机，微处理器运而生，个人算机始普及们计时术计络如今，我正处于第五代算机代，人工智能技蓬勃发展，算机正在向着智能化、网化、移动化的方向发展来计将们为创未，算机更加深入地融入到我的生活和工作中，人类造更多的价值真空管时代1积庞体大，功耗高晶体管时代2积缩体小，功耗降低集成电路时代3速度提高，可靠性增强人工智能时代4络智能化、网化、移动化计算机的基本组成五大核心部件计组储负责执算机的基本成包括运算器、控制器、存器、输入设备和输出设备五大核心部件运算器术逻辑计脑负责挥计协调计行算和运算，是算机的“大”控制器指算机的各个部件工作，是算机的挥“指官”储储数计仓库将计存器用于存据和指令，是算机的“”输入设备用于外部信息输入到算机中，例如键盘标将计结显、鼠等输出设备用于算机的处理果输出到外部，例如示器、打印机等这协计五大部件相互作，共同完成算机的各种任务其中，运算器和控制器通常集成在一起，构成中计储为储辅储储储央处理器（CPU），是算机的核心部件存器分主存器和助存器，主存器用于存正数辅储储数在运行的程序和据，助存器用于存长期保存的据运算器控制器存储器执术逻辑挥计协调储数行算和运算指算机工作存据和指令输入设备将计外部信息输入算机数据的表示二进制、十进制、十六进制数计进进数计数计据在算机中以二制形式表示二制是一种只使用0和1两种字的系统算机进为现开关开关别使用二制是因它易于用电子元件实，例如的和可以分表示1和0进们计数数进十制是我日常生活中使用的系统，使用0-9十个字十六制是一种使用0-9和A-计数简进进数F十六个符号的系统，常用于化二制表示例如，一个8位的二制可以用两个十进数六制表示进转换进转换规则对计不同制之间可以相互了解不同制的表示方法和，于理解算机的工作关进码们计进原理至重要例如，理解二制的补表示，可以帮助我理解算机如何行加减运算二进制十进制12计数们计数算机中据的基本表示形式我日常生活中使用的系统十六进制3简进化二制表示的一种方式运算方式算术运算与逻辑运算计术逻辑术算机中的运算方式主要包括算运算和运算算运算包括加、减、乘、除等，用于数数逻辑逻辑数处理值据运算包括与、或、非、异或等，用于处理据计来现术逻辑则过逻辑来现算机使用加法器、乘法器等硬件电路实算运算运算通门电路实，杂过组这来现例如与门、或门、非门等复的运算可以通合些基本运算实计们计数数了解算机的运算方式，有助于我理解算机如何处理各种据例如，理解浮点的表们数计现问题示和运算，可以帮助我避免在值算中出精度算术运算加、减、乘、除等逻辑运算与、或、非、异或等硬件电路逻辑加法器、乘法器、门等运算单元的设计与实现ALU单称为术逻辑单计执术逻辑计现计组内运算元，也算元（ALU），是算机中行算和运算的核心部件ALU的设和实是算机成原理中的重要容ALU通常由加法器、移位器、逻辑组门等基本电路成计虑积应场对则ALU的设需要考运算速度、功耗、面等多个因素不同的用景ALU的性能要求不同例如，高性能服务器需要高速度的ALU，而移动设备需要低功耗的ALU现线术术来还过计进来积代ALU通常采用流水技、并行处理技等提高运算速度此外，可以通优化电路设、采用更先的制造工艺等手段降低功耗和面移位器21加法器逻辑门3指令系统指令的格式与类型计执计执单指令系统是算机能够行的所有指令的集合指令是算机行的最小位每条指令都码数码计执数传包含操作和操作操作指示算机行的操作类型，例如加法、减法、据送等数对储操作指示操作的象，例如寄存器、存器地址等单数数数指令的格式有多种，常见的有操作指令、双操作指令、三操作指令等指令的类型术逻辑数传转也多种多样，常见的有算指令、指令、据送指令、控制移指令等计计应该数指令系统的设直接影响算机的性能一个好的指令系统具有指令量少、指令格式简单寻计、址方式灵活等特点CISC和RISC是两种不同的指令系统设思想CISC指令系统数杂数简单指令量多、功能强大，但指令格式复RISC指令系统指令量少、指令格式，但需过组杂要通合多条指令才能完成复操作操作码操作数计执对指示算机行的操作类型指示操作的象指令格式单数数数操作、双操作、三操作等指令执行过程取指、译码、执行执过译码执阶阶储译码阶码数指令的行程通常包括取指、、行三个段取指段从存器中取出指令段分析指令的操作和操作，确定指令的对执阶执进数传操作类型和操作象行段行指令指示的操作，例如行加法运算、据送等为执现计线术线术将执过为阶阶了提高指令的行速度，代算机通常采用流水技流水技指令的行程分解多个段，每个段由不同的硬件电路这时阶执完成样，多条指令可以同在不同的段行，从而提高指令的吞吐率执过还断断计执过请暂指令行程中可能发生中中是指算机在行程序的程中，由于发生了某种事件（例如硬件故障、外部设备求等），而当执转该该来继续执停前程序的行，而去处理事件处理完事件后，再返回到原的程序行取指1译码2执行3存储器系统分层存储体系结构储计储数储层结缓储存器系统是算机中用于存据和程序的部件存器系统通常采用分构，包括高速存（Cache）、主存器（Main辅储Memory）和助存器（Secondary Memory）缓储储频访问数缓访问储高速存位于CPU和主存器之间，用于存CPU繁的据高速存的速度非常快，可以大大提高CPU的运行效率主存储数储访问缓辅储器用于存正在运行的程序和据主存器的速度比高速存慢，但比助存器快辅储储数辅储访问辅储盘态盘层储助存器用于存长期保存的据助存器的速度最慢，但容量最大常见的助存器有硬、固硬等分存体系结满计对储构的目的是在容量、速度和成本之间取得平衡，以足算机存器的各种需求Cache1主存储器2辅助存储器3主存储器的原理与应用DRAM储称为内计储数储主存器，也存，是算机中用于存正在运行的程序和据的部件主存器通常采用DRAM（Dynamic Random Access态访问储数Memory）芯片DRAM是一种动随机存器，需要定期刷新才能保持据访问对较为储访问现计术DRAM的特点是容量大、成本低，但速度相慢了提高主存器的速度，代算机通常采用双通道、四通道等技，以时传数数传及DDR（Double Data Rate）DRAMDDR DRAM可以在钟周期的上升沿和下降沿都输据，从而提高据输速度储对计储计频辅储读数这计主存器的容量算机的性能影响很大如果主存器的容量不足，算机需要繁地从助存器中取据，会大大降低算机的运行速度DRAM DDRDRAM数时传数需要定期刷新才能保持据在钟周期的上升沿和下降沿都输据辅助存储器硬盘、固态硬盘的比较辅储计储数辅储盘态盘助存器是算机中用于存长期保存的据的部件常见的助存器有硬（Hard DiskDrive，HDD）和固硬（Solid StateDrive，SSD）盘访问损态盘访问态盘渐盘为辅硬的特点是容量大、成本低，但速度慢、易坏固硬的特点是速度快、抗震动、低功耗，但容量小、成本高固硬正在逐取代硬，成主流的储助存器选择辅储时进权储对选择盘对预选择态盘现助存器，需要根据实际需求行衡如果需要大容量存，且速度要求不高，可以硬如果速度要求高，且算充足，可以固硬在也将态盘为盘盘为数盘有固硬作系统，硬作据的方案盘态盘特性硬（HDD）固硬（SSD）对较容量大相小速度慢快成本低高存储器的访问地址映射与替Cache换策略储访问换问题将虚转换为存器的涉及到地址映射和Cache替策略等地址映射是指拟地址物过换当满选择换理地址的程Cache替策略是指Cache了之后，如何替哪个Cache块的算法组虚常见的地址映射方式有直接映射、全相联映射和相联映射直接映射是指每个拟地址只虚组能映射到唯一的物理地址全相联映射是指每个拟地址可以映射到任意的物理地址相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案换常见的Cache替策略有LRU（Least RecentlyUsed）、FIFO（First In First Out）和随换换换进机替LRU是指替最近最少使用的Cache块FIFO是指替最先入Cache的Cache块换选择进换随机替是指随机一个Cache块行替地址映射虚转换为拟地址物理地址Cache替换选择换替哪个Cache块输入输出系统计算机与外部世界的桥梁计进换输入输出系统是算机与外部世界行信息交的桥梁输入输出系统包括输入设备、输出将计键盘标扫设备和输入输出接口输入设备用于外部信息输入到算机中，例如、鼠、描仪将计结显等输出设备用于算机的处理果输出到外部，例如示器、打印机、音箱等负责计数输入输出接口管理输入输出设备与算机之间的通信输入输出接口通常包括据寄存状态数储数状态器、寄存器和控制寄存器据寄存器用于存输入输出据寄存器用于指示输状态入输出设备的控制寄存器用于控制输入输出设备的操作断输入输出方式有多种，例如程序查询方式、中方式和DMA方式程序查询方式是指CPU定状态数传断期查询输入输出设备的，以确定是否有据需要输中方式是指输入输出设备在完数传断请应断请进数传成据输后，向CPU发送中求，CPU响中求后，行据输DMA方式是指储进数传输入输出设备直接与存器行据输，不需要CPU的参与输入设备输出设备输入输出接口键盘标扫显计、鼠、描仪等示器、打印机、音箱等管理输入输出设备与算机之间的通信输入设备键盘、鼠标、触摸屏等计组负责将数计进输入设备是算机系统的重要成部分，用户的指令和据输入到算机中行处理键盘标扫摄键盘常见的输入设备包括、鼠、触摸屏、描仪、像头等是最常用的输入设备之过键盘数标一，用户可以通输入文字、字和符号鼠是另一种常用的输入设备，用户可以通过标标进鼠控制屏幕上的光，行各种操作进过进击触摸屏是一种可以直接在屏幕上行操作的输入设备，用户可以通手指或触摸笔行点、扫将纸质档转换为档进编辑储摄滑动等操作描仪可以文电子文，方便用户行和存像头可将图频计频议监应以像和视输入到算机中，用于视会、控等用断现语势识别这随着科技的发展，新的输入设备不涌，例如音输入设备、手设备等些新的输入设备使得人机交互更加自然、高效键盘鼠标12数标输入文字、字和符号控制屏幕上的光触摸屏3进直接在屏幕上行操作输出设备显示器、打印机、音箱等计组负责将计结现来显输出设备是算机系统的重要成部分，算机处理后的果以用户可理解的形式呈出常见的输出设备包括示器、打印机、显将图显将档纸质档进阅读音箱等示器是最常用的输出设备之一，可以像和文字示在屏幕上打印机可以电子文打印成文，方便用户行和保存将频转换为过计乐语断现音箱可以音信号声音，用户可以通音箱听到算机播放的音、音等随着科技的发展，新的输出设备不涌，例如投将图议场为虚现验影仪、VR设备等投影仪可以像投射到墙壁或屏幕上，用于演示和会等合VR设备可以用户提供沉浸式的拟实体选择时进权质图显选择显档输出设备，需要根据实际需求行衡如果需要高量的像示，可以高分辨率的示器如果需要打印大量的文，可选择质频选择质以高速打印机如果需要高量的音输出，可以高品的音箱显示器打印机音箱显图将档纸质档频示像和文字电子文打印成文播放音信号输入输出接口连接计算机与外设的桥梁计进数换负责将数转换为计识别将计数转换为识别输入输出接口是算机与外部设备行据交的桥梁，外部设备的据算机可以的格式，以及算机的据外部设备可以的格式输数状态入输出接口通常包括据寄存器、寄存器和控制寄存器数储数状态状态数数传据寄存器用于存输入输出据寄存器用于指示输入输出设备的，例如是否准备好接收据、是否已经完成据输等控制寄存器用于控制输入输出设备扫的操作，例如启动打印机、设置描仪的分辨率等标标连键盘标盘连常见的输入输出接口准有USB、SATA、PCIe等USB是一种通用的串行接口准，可以接各种外部设备，例如、鼠、打印机、U等SATA是一种用于接盘驱标标连显硬和光的接口准PCIe是一种高速的接口准，用于接卡、网卡等高性能设备状态寄存器21数据寄存器控制寄存器3总线系统计算机内部的信息高速公路线计内传数连储线为内线线总系统是算机部用于输据的公共通道，接CPU、存器和输入输出设备等各个部件总系统可以分部总和外部总内线连内线连储部总用于接CPU部的各个部件，例如ALU、寄存器等外部总用于接CPU与存器、输入输出设备等线线数线线组线储数线传数线总系统由地址总、据总和控制总成地址总用于指定存器或输入输出设备的地址据总用于输据控制总用传读写断请于输控制信号，例如信号、中求信号等线对计线带宽数传线迟应为线总的性能算机的整体性能影响很大总的越高，据输速度越快总的延越低，响速度越快了提高总的性能，现计线线术代算机通常采用并行总、高速串行总等技地址总线1数据总线2控制总线3总线的分类内部总线与外部总线线计组传数连组线为内线总是算机系统中用于在不同件之间输据的通道根据其接的件和用途，总可以分多种类型，其中最常见的分类是部总和外部线内线称为线线连内关键组这组迟数传总部总，也系统总或局部总，主要用于接CPU、存和主板上的其他件些件需要高速、低延的据输，因此内线较带宽部总通常具有高的和速度内线线内线线线则连计扫常见的部总包括前端总（FSB）、存总和PCIe总外部总用于接算机与外部设备，如打印机、描仪、USB设备等由于外数传内组线对较部设备的据输速度通常低于部件，因此外部总的速度相低线线们计颈常见的外部总包括USB、SATA和Thunderbolt了解不同类型的总及其特点，有助于我更好地理解算机系统的工作原理和性能瓶内部总线外部总线12连内组连扫接CPU、存等高速件接外部设备，如打印机、描仪等总线特性带宽、延迟、协议线计组传数计线总是算机系统中用于在不同件之间输据的通道，其性能直接影响算机的整体性能总关键带宽迟协议带宽线单时内传数有几个特性，包括、延和是指总在位间可以输的据量，通常以为单带宽线数传MB/s或GB/s位越高，总的据输能力越强迟数时纳为单迟线应延是指据从发送端到接收端所需的间，通常以秒（ns）位延越低，总的响速度协议线时规则标数传越快是指总通信所遵循的和准，包括据输格式、地址分配方式、控制信号定义线协议场等不同的总具有不同的性能和适用景线这们选择计满应对了解总的些特性，有助于我更好地和配置算机系统，以足不同的用需求例如，数传应戏频编辑选择带宽迟线关于需要高速据输的用，如游和视，具有高和低延的总至重要带宽单时内传数位间输的据量延迟数传时据输所需的间协议线规则标总通信的和准执行器系统的组成与功能CPU执计负责执数组行器系统，通常指的是中央处理器（CPU），是算机的核心部件，行指令和处理据CPU由运算器、控制器和寄存器成负责执术逻辑运算器行算和运算，如加法、减法、乘法、除法、与、或、非等负责挥协调译码执储结储数内控制器指CPU的各个部件工作，包括取指令、、行和存果等寄存器用于存指令、据和地址，是CPU部的高储骤译码执储结计数速存器CPU的工作流程通常包括以下几个步取指令、、行、存果和更新程序器标频数缓频时频为单频数CPU的性能指主要包括主、核心和存大小主是指CPU的钟率，以GHz位，主越高，CPU的运算速度越快核心内数数缓内储缓是指CPU部的处理器核心量，核心越多，CPU的并行处理能力越强存大小是指CPU部的高速存器容量，存越大，CPU的访问速度越快运算器控制器寄存器执术逻辑挥协调储数行算和运算指CPU工作存指令、据和地址数据通路数据在内部的流动CPU数数内径储组数传数计据通路是指据在CPU部流动的路，包括寄存器、ALU、存器等件之间的据输据通路的设直接影响CPU的性能一个高效的数数传迟数现数传据通路可以减少据输的延，提高CPU的运算速度据通路通常由控制信号控制，以实不同的据输操作数数传储数传结写数计虑数常见的据通路操作包括寄存器之间的据输、寄存器与存器之间的据输、ALU的运算果入寄存器等据通路的设需要考据传杂为数现线术术输的效率、控制的复性和硬件成本等因素了提高据通路的性能，代CPU通常采用流水技和并行处理技线术将执过为阶阶现执术时流水技可以一条指令的行程分解多个段，每个段由不同的硬件电路完成，从而实多条指令的并行行并行处理技可以同执数行多条指令或多个据，从而提高CPU的运算速度寄存器12ALU存储器3控制单元的指挥中心CPU单挥负责协调译码执储结单过数数传控制元是CPU的指中心，控制CPU的各个部件工作，包括取指令、、行和存果等控制元通控制信号控制据通路的据输和ALU的运算单计杂单连线现操作控制元的设直接影响CPU的性能和复性控制元通常由微程序控制器或硬控制器实将储储过执来现计较连线组微程序控制器控制信号存在微程序存器中，通行微程序实指令的控制微程序控制器的优点是设灵活、易于修改，但速度慢硬控制器使用合逻辑来现连线计杂电路实指令的控制硬控制器的优点是速度快，但设复、不易修改现连线顾单计计组代CPU通常采用混合控制方式，即部分指令使用微程序控制，部分指令使用硬控制，以兼性能和灵活性控制元的设是算机成原理中的一个重要研究方向译码21取指令执行3指令流水线提高效率的关键技术CPU线关键术过将执过为阶让时阶执线线产将指令流水是一种提高CPU效率的技，通指令的行程分解多个段，并多个指令同在不同的段行，从而提高CPU的吞吐量指令流水类似于工厂的流水生，可以CPU来的各个部件充分利用起，提高CPU的利用率线译码执访写阶阶为证线顺执问题数结数指令流水通常包括取指、、行、存和回等段每个段由不同的硬件电路完成了保指令流水的利行，需要解决一些，如据冒险、控制冒险和构冒险据冒险是指数赖关结执执顺时结时访问资时访问储指令之间存在据依系，需要等待前一条指令的果才能行控制冒险是指指令的行序不确定，如遇到分支指令构冒险是指多条指令同同一个硬件源，如同存器这问题数预测独数线现组关键术解决些冒险的方法包括据旁路、分支和设置立的指令Cache和据Cache等指令流水是代CPU的重要成部分，也是提高CPU性能的技取指1译码2执行3访存4写回5处理器性能的提高多核与超线程技术为现线术术独执了提高处理器性能，代处理器采用了多核和超程技多核技是指在一个物理CPU芯片上集成多个处理器核心，每个核心都可以立行执指令多核处理器可以并行行多个任务，从而提高系统的整体性能线术逻辑逻辑独执线术超程技是指在一个物理处理器核心上模拟出多个处理器核心，每个核心都可以立行指令超程技可以提高CPU的利用率，从线术们杂而提高系统的整体性能多核和超程技都是提高处理器性能的有效手段，但它也增加了处理器的复性和功耗选择时进权对执应计选择对处理器，需要根据实际需求行衡于需要并行行多个任务的用，如服务器和科学算，多核处理器可以提高性能于需要应戏频编辑选择线术高CPU利用率的用，如游和视，支持超程技的处理器可以提高性能双核处理器四核处理器八核处理器多处理器系统并行计算的基石计执多处理器系统是指包含多个处理器的算机系统多处理器系统可以并行行多个任务，从为储储而提高系统的整体性能多处理器系统可以分共享存多处理器系统和分布式存多处理储储过器系统共享存多处理器系统是指多个处理器共享同一个存器，处理器之间通共享存储进储储器行通信分布式存多处理器系统是指每个处理器拥有自己的存器，处理器之间通过传进消息递行通信应领计图多处理器系统可以用于各种域，如服务器、科学算、形处理等多处理器系统的设计编较杂虑问题术断和程都比复，需要考处理器之间的同步和通信随着处理器技的不发展，将来多处理器系统越越普及时选择连络线开关连络连络构建多处理器系统，需要合适的互网，如总、交叉和互网互网选择扩还虑储的直接影响多处理器系统的性能和可展性此外，需要考多处理器系统的存器问题证访问储时数一致性，以保多个处理器共享存器的据一致性共享存储多处理器系统分布式存储多处理器系统硬件并行技术提升计算效率的途径术过层现计计术硬件并行技是指通在硬件面实并行算，从而提高算效率常见的硬件并行技包括指令级数级线级级内现计线并行、据并行和程并行指令并行是指在一条指令部实并行算，如采用流水技术标术数级对数时执和超量技据并行是指多个据同行相同的操作，如采用SIMD（Single术线级时执线术线Instruction Multiple Data）技程并行是指同行多个程，如采用多核技和多程术技术显计杂选择术时硬件并行技可以著提高算效率，但也会增加硬件的复性和功耗硬件并行技，需要应进权对计应计图根据实际用需求行衡于需要高算吞吐量的用，如科学算和形处理，采用硬件并行术技可以提高性能现术虑数赖资调数赖实硬件并行技需要考多个因素，如据依性、源冲突和度策略据依性是指指令之数赖关结执资时访问间存在据依系，需要等待前一条指令的果才能行源冲突是指多条指令同同一个资调将给线硬件源度策略是指如何任务分配不同的处理器或程指令级并行1数据级并行2线程级并行3存储层次结构构建高性能存储系统储层结将储进层储储层结缓储辅储存次构是指存器按照速度和容量行分，从而构建高性能存系统存次构通常包括高速存、主存器和助存缓储储频访问数储储数辅储储器高速存位于CPU和主存器之间，用于存CPU繁的据主存器用于存正在运行的程序和据助存器用于存数长期保存的据储层结计标缓储存次构的设目是在容量、速度和成本之间取得平衡高速存速度快、容量小、成本高主存器速度中等、容量中等、成本辅储过储层结储中等助存器速度慢、容量大、成本低通合理配置存次构，可以提高存系统的整体性能计储层结虑缓缓换缓缓缓换当设存次构需要考多个因素，如存大小、存替策略和地址映射方式存大小是指高速存的容量存替策略是指缓满选择换缓将虚转换为存了之后，如何替哪个存块的算法地址映射方式是指如何拟地址物理地址高速缓存1主存储器2辅助存储器3缓存技术提升数据访问速度的关键缓术数访问术缓将数储储当存技是一种常用的提高据速度的技存是指一部分据存在高速存器中，访问这数时储读储读缓术CPU需要些据，可以直接从高速存器中取，而不需要从低速存器中取存技显数访问可以著提高据速度，从而提高系统的整体性能缓术应计层缓内缓盘缓缓存技广泛用于算机系统的各个次，如CPU存、存存和磁存CPU存位于CPU内储频访问数内缓内盘储盘频访问部，用于存CPU繁的指令和据存存位于存和磁之间，用于存磁繁数盘缓盘驱内储盘频访问数的据磁存位于磁动器部，用于存磁繁的据缓术缓换当缓满选择换缓缓存技的核心是存替策略，即存了之后，如何替哪个存块的算法常见的存换换替策略包括LRU（Least RecentlyUsed）、FIFO（First InFirst Out）和随机替等CPU缓存内存缓存磁盘缓存虚拟存储器扩展内存容量的有效手段虚储将内盘结来扩内虚储许内拟存器是一种物理存和磁空间合起，从而展存容量的有效手段拟存器允程序使用比物理存更大的地址空间，虚储现从而可以运行更大的程序拟存器的实需要操作系统的支持虚储将将这储盘当访问时将该盘拟存器的基本思想是程序分割成多个页面，并些页面存在磁上程序需要某个页面，操作系统会页面从磁载内内满选择将内换盘这过称为换加到物理存中如果物理存已，操作系统会一个页面其从物理存出到磁上个程页面置虚储关键换选择换换拟存器的是页面置算法，即如何要出的页面常见的页面置算法包括LRU（Least RecentlyUsed）、FIFO（First虚储扩内开销换开销InFirstOut）和OPT（Optimal）等拟存器可以有效地展存容量，但也会增加系统的，如页面置的页面分割页面置换将将盘载内内换盘程序分割成多个页面页面从磁加到物理存或从物理存出到磁中断机制处理突发事件的关键断关键术断执过暂当执转该该中机制是一种处理突发事件的技中是指CPU在行程序的程中，由于发生了某种事件，而停前程序的行，而去处理事件处理完来继续执断应时事件后，再返回到原的程序行中机制可以提高CPU的响速度和系统的实性断软断请键盘标击软断中源可以是硬件设备，也可以是件程序硬件设备中通常用于处理外部设备的求，如输入、鼠点等件程序中通常用于处理异常情况，错误内访问错误如除零、存等断过断请断应断断骤断请断断请断应断请中处理程通常包括中求、中响、中处理和中返回等步中求是指中源向CPU发出中求信号中响是指CPU在接收到中暂当执当断执断断断断执求信号后，停前程序的行，并保存前程序的上下文中处理是指CPU行中处理程序，处理中事件中返回是指CPU在中处理程序行完毕来继续执后，恢复之前保存的上下文，并返回到原的程序行中断请求中断响应中断处理中断返回中断过程中断请求、响应与处理断过计关键当软时们断请执当检中程是算机系统中处理外部事件或异常情况的机制外部设备或件程序需要引起CPU的注意，它会发出中求CPU在行完前指令后，会查是断请则进断应阶断应阶当计数状态断否有中求Pending，如果有，入中响段在中响段，CPU会保存前程序的上下文，包括程序器、寄存器等，以便在中处理完成后能够恢状态复到之前的断对应断执该断负责断读数断接着，CPU会根据中向量表找到的中处理程序，并行程序中处理程序处理引起中的事件，例如从外部设备取据、处理异常情况等在中处理来继续执完成后，CPU会恢复之前保存的上下文，并返回到原的程序行断过软协负责检测断请软负责编写断断时中程需要硬件和件的同工作硬件和发出中求，件中处理程序合理的中处理机制可以提高系统的实性和可靠性中断请求1中断响应24中断返回中断处理3直接存储器访问高效的数据传输方式DMA储访问数传许储进数传轻直接存器（DMA）是一种高效的据输方式，允外部设备直接与存器行据输，而不需要CPU的参与DMA可以大大减CPU的负没数传这时担，提高系统的整体性能在有DMA的情况下，CPU需要参与每一次据输，会占用大量的CPU间负责传过传传数传传过DMA控制器是DMA的核心部件，管理DMA输的程DMA控制器可以设置输的起始地址、输的据量和输的方向DMA输程通骤请线请释线权常包括以下几个步外部设备向DMA控制器发出DMA求，DMA控制器向CPU发出总求，CPU放总控制，DMA控制器控制外部设备储进数传线权与存器行据输，DMA控制器向CPU发出DMA完成信号，CPU收回总控制术应场盘数传显数传数传术应DMA技广泛用于各种景，如硬据输、卡据输和网卡据输等合理使用DMA技可以提高系统的效率和响速度1DMA请求总线请求2数据传输34DMA完成操作系统与计算机组成软硬件协同工作计软负责计资为应环计操作系统是算机系统中最重要的件，管理算机的硬件源，并用程序提供运行境操作系统与算机组关许计虑为成密切相，操作系统的多功能都需要硬件的支持，而硬件的设也需要考操作系统的需求操作系统可以分内内负责资应环核和用户空间核是操作系统的核心部分，管理硬件源和提供基本服务用户空间是用程序运行的境计组关现进内驱进负操作系统与算机成之间的系体在多个方面，如程管理、存管理、文件系统和设备动程序等程管理责创进调进终进内负责内虚内管理程序的运行，包括建程、度程和止程等存管理管理存的分配和回收，包括拟存管理换负责盘创读写驱负责和页面置等文件系统管理磁上的文件，包括建文件、取文件和入文件等设备动程序管理外部键盘标设备，包括、鼠、打印机等计组软协软协挥计操作系统与算机成是硬件同工作的典范只有硬件同工作，才能充分发算机系统的性能进程管理内存管理文件系统设备驱动程序现代处理器的发展从单核到多核的演进现历单进过单代处理器的发展经了从核到多核的演程早期的处理器都是核的，即只有一个处理器核心随着术断现集成电路技的不发展，可以在一个芯片上集成多个处理器核心，从而实了多核处理器多核处理器可以执并行行多个任务，从而提高系统的整体性能术现还线术乱执术预测术除了多核技，代处理器采用了超程技、序行技和分支技等，以提高处理器的性能超线术逻辑乱执术程技可以在一个物理处理器核心上模拟出多个处理器核心，从而提高CPU的利用率序行技可执顺执预测术预测执以改变指令的行序，从而提高CPU的行效率分支技可以分支指令的行方向，从而减少分带来损支指令的性能失来将术断未，处理器朝着更快的速度、更低的功耗和更高的集成度的方向发展随着人工智能技的不发展，处将络理器也朝着智能化方向发展，如集成神经网加速器等单核处理器1多核处理器2超线程技术3乱序执行技术4微处理器的结构核心组件解析现计组结杂组术逻辑单单缓线术逻微处理器是代算机的核心件，其构复而精妙一个典型的微处理器包括以下核心件算元（ALU）、控制元、寄存器、存和总接口算辑单负责执术逻辑单负责挥协调译码执储结元（ALU）行算和运算，是微处理器的运算核心控制元指微处理器的各个部件工作，包括取指令、、行和存果等储数内储缓储频访问数数访问线负责进数寄存器用于存指令、据和地址，是微处理器部的高速存器存用于存CPU繁的指令和据，可以提高据速度总接口与外部设备行换内组协计据交，包括存、输入输出设备等微处理器的各个件同工作，共同完成算机的各种任务计虑术断断断断微处理器的设需要考多个因素，如性能、功耗、成本和可靠性等随着集成电路技的不发展，微处理器的性能不提高，功耗不降低，成本不下降，可靠性断不增强ALU1控制单元2寄存器3缓存4总线接口5微处理器的指令执行指令周期详解执杂过骤译码执访写这骤内读译码将微处理器的指令行是一个复的程，通常包括以下几个步取指令、、行、存和回五个步构成了一个完整的指令周期取指令是指从存中取指令到指令寄存器是指译执执访访问内读写数写将执结写内指令翻成微处理器可以理解的控制信号行是指根据控制信号行指令指定的操作存是指存，取或入据回是指行果入寄存器或存为执现线术将阶让时阶执这执过了提高指令行效率，代微处理器通常采用流水技，指令周期分解成多个段，并多个指令同在不同的段行样可以提高CPU的吞吐量，从而提高系统的整体性能指令行程问题数结应术来这问题中可能会遇到各种，如据冒险、控制冒险和构冒险需要采用相的技解决些执计组内执过们计计计微处理器的指令行是算机成原理中的一个重要容深入理解指令行程，有助于我更好地理解算机的工作原理，从而更好地设和优化算机系统取指令译码执行访存写回微处理器的性能提升关键技术剖析计领为关键术术线术微处理器的性能提升是算机科学域的一个重要研究方向了提高微处理器的性能，采用了多种技，如多核技、超程技、乱执术预测术缓术术执序行技、分支技和存技等多核技是指在一个芯片上集成多个处理器核心，从而可以并行行多个任务线术逻辑乱执术执顺超程技是指在一个物理处理器核心上模拟出多个处理器核心，从而可以提高CPU的利用率序行技可以改变指令的行执预测术预测执带来损缓术数序，从而提高CPU的行效率分支技可以分支指令的行方向，从而减少分支指令的性能失存技可以提高据访问速度，从而提高CPU的整体性能这关键术应进选择术断将断为计些技各有优缺点，需要根据实际用需求行和优化随着集成电路技的不发展，微处理器的性能不提高，算机科学的发展提供强大的动力多核技术超线程技术乱序执行技术123分支预测技术缓存技术45内存的发展容量、速度与技术的演进内计储储数内历现存是算机系统中重要的存器，用于存正在运行的程序和据存的发展经了从早期的小容量、低速度到代的大容量、高速进过内储导术断现度的演程早期的存采用磁芯存器，容量小、速度慢随着半体技的不发展，出了DRAM（Dynamic RandomAccess为内Memory），DRAM具有容量大、成本低的优点，成主流的存类型为内术了提高存的速度，采用了多种技，如SDRAM（Synchronous DynamicRandomAccessMemory）、DDR SDRAM（Double这术内数传术断DataRateSDRAM）和DDR

2、DDR

3、DDR4等些技可以提高存的据输速率，从而提高系统的整体性能随着技的不内断断为计发展，存的容量不增大，速度不提高，算机科学的发展提供了强大的支持来内将储术断现忆内未，存朝着更高的容量、更快的速度和更低的功耗的方向发展随着新型存技的不涌，如3D XPoint和阻器等，存的将进性能得到一步提升容量速度技术断断断创不增大不提高不新储存系统的发展从磁带到固态硬盘的变革储计储数历带态盘储带带访问存系统是算机系统中用于存据的部件，其发展经了从磁到固硬的变革早期的存系统采用磁，磁具有容量大、成本低的优点，但速度慢随着盘术断现盘盘访问为储磁技的不发展，出了硬（Hard DiskDrive，HDD），硬具有容量大、速度快的优点，成主流的存系统态盘现储进态盘访问对较态盘随着固硬（Solid StateDrive，SSD）的出，存系统的性能得到了一步提升固硬具有速度快、抗震动、低功耗的优点，但成本相高固硬渐盘为储来储将正在逐取代硬，成主流的存系统未，存系统朝着更高的容量、更快的速度和更低的功耗的方向发展储术断现储将进储为计随着新型存技的不涌，如3D NAND和NVMe等，存系统的性能得到一步提升存系统的发展算机科学的发展提供了强大的支持储质存介优点缺点带访问磁容量大、成本低速度慢盘访问损硬容量大、速度快易坏态盘访问固硬速度快、抗震动、低功耗成本高输入输出系统的发展智能化与多样化计进换趋势输入输出系统是算机系统中用于与外部世界行信息交的部件，其发展是智能化与多样化单杂术现早期的输入输出设备功能一，操作复随着技的发展，出了各种智能化的输入输出设备，如语识别势识别触摸屏、音设备和手设备等这时些智能化的输入输出设备可以提供更加自然、便捷的人机交互方式同，输入输出设备也朝着多现这样化方向发展，出了各种新型的输入输出设备，如VR设备、AR设备和3D打印机等些新型的输为验入输出设备可以用户提供更加丰富、多样的体来将术未，输入输出系统朝着更加智能化、更加多样化和更加个性化的方向发展随着人工智能技的断将图不发展，输入输出系统能够更好地理解用户的意，并提供更加个性化的服务触摸屏语音识别手势识别VR设备并行处理的发展从指令级到数据级的飞跃时执计历级数级并行处理是指同行多个任务，从而提高算机系统的整体性能并行处理的发展经了从指令到据的飞跃早期的并行处理主级线术标术数断现数级术要集中在指令，如采用流水技和超量技随着据量的不增大，出了据并行技，如SIMD（Single Instruction术MultipleData）技和GPU（Graphics ProcessingUnit）等术对数时执数计应领图SIMD技可以多个据同行相同的操作，从而提高据处理效率GPU具有强大的并行算能力，可以用于各种域，如形计来将细处理、科学算和人工智能等未，并行处理朝着更粒度、更高效和更智能化的方向发展计断将紧结计将为计随着异构算的不发展，CPU和GPU更加密地合在一起，共同完成算任务并行处理算机科学的发展提供强大的动力指令级并行1数据级并行2未来计算机的发展趋势量子计算与神经形态计算来计趋势计态计计计计未算机的发展是量子算与神经形算量子算是一种基于量子力学原理的算方式，具有强大的并行算能力，可以解决传计问题态计脑结计错应统算机无法解决的神经形算是一种模仿人神经元构的算方式，具有低功耗、高容性的优点，可以用于人工智能领域计态计颠计术为计带来计态计还量子算和神经形算是两种覆性的算技，有望算机科学的发展革命性的变革目前，量子算和神经形算处于阶临许战稳结来术断计态计将研究段，面着多挑，如量子比特的定性和神经元构的模拟等未，随着技的不发展，量子算机和神经形算机渐为带来逐走向实用化，人类社会巨大的价值计态计来计还将绿术断计除了量子算和神经形算，未算机朝着更智能化、更色化和更个性化的方向发展随着人工智能技的不发展，算机将图能够更好地理解用户的意，并提供更加个性化的服务量子计算神经形态计算课程总结与思考计算机组成原理的未来展望课们习计组术过课习们计内在本程中，我系统地学了算机成原理的基本概念、基本原理和基本技通本程的学，我深入了解了算机硬件系统的部构造，掌握了数储时们还现计关键术术线术虚据的表示、运算方式、指令系统、存器系统、输入输出系统等核心概念同，我了解了代算机的技，如多核技、超程技、拟存储断器和中机制等计组计础对计计计关术断计组将断进为计算机成原理是算机科学的基，于理解算机的工作原理和设算机系统至重要随着技的不发展，算机成原理不演，算机过课习们对计组产浓为来习坚础科学的发展提供强大的动力希望通本程的学，同学能够算机成原理生厚的兴趣，并未的学和工作打下实的基来计将绿计组将断创为计让们未，算机朝着更智能化、更色化和更个性化的方向发展算机成原理也不新，算机科学的发展提供更加强大的支持我一起期待计来算机科学的未吧！计满战计组将为来坚础“算机科学是一门充挑和机遇的学科掌握算机成原理，你的未发展奠定实的基”。