计算机组成原理李华课件

计算机组成原理李华欢迎来到计算机组成原理课程！本课程将深入探讨计算机系统的内部结构和工作原理，为你揭示计算机的奥秘，并为后续的软件开发和系统设计打下坚实的基础课程概述课程目标主要内容本课程旨在帮助学生深入理解计课程内容涵盖计算机系统的基本算机系统的基本原理，掌握计算组成、数据表示、指令系统、存机硬件和软件的交互机制，为学储器系统、中央处理器、输入输习更高级的计算机相关课程奠定出系统、流水线技术、并行处理坚实基础技术以及计算机系统性能分析等学习方法方面建议学生认真预习课本内容，积极参与课堂讨论，并完成课后练习此外，还应关注相关技术发展趋势，不断拓展学习深度数据的表示二进制十进制十六进制计算机内部使用二进制表示数据，它只包含人类常用的计数系统，使用0到9十个数字，方使便用人0们到理9解和和A使到用F十六个数字，方便表两个数字0和1每个二进制位称为比特示二进制数据，在编程和数据存储中使用（bit），多个比特组合起来可以表示各种数据类型，例如数字、字符和指令数制的转换十进制1十进制是日常生活中常用的计数系统，使用0到9十个数字表示数字每个数字的位置代表一个不同的权值，从右到左依次为

1、

10、

100、1000等例如，十进制数123表示1个百、2个十和3个一二进制2二进制是计算机使用的主要计数系统，使用0和1两个数字表示数字每个数字的位置代表一个不同的权值，从右到左依次为

1、

2、

4、8等例如，二进制数1011表示1个

八、0个

四、1个二和1个一八进制3八进制使用0到7八个数字表示数字，每个数字的位置代表一个不同的权值，从右到左依次为

1、

8、

64、512等例如，八进制数123表示1个

六十四、2个八和3个一十六进制4十六进制使用0到9和A到F十六个数字表示数字，每个数字的位置代表一个不同的权值，从右到左依次为

1、

16、

256、4096等例如，十六进制数123表示1个

二五十六、2个十六和3个一运算方式加法减法乘法加法是最基本的一种运减法是加法的逆运算，乘法是将一个操作数重算方式，用于将两个或用于从一个操作数中减复加自身多次，用于计多个操作数相加去另一个操作数算两个操作数的乘积除法除法是乘法的逆运算，用于将一个操作数除以另一个操作数编码方式1ASCII码ASCII码American StandardCode forInformation Interchange是美国信息交换标准代码，是目前最常用的字符编码，它使用7位二进制数来表示128个字符，包括数字、字母、标点符号和控制字符ASCII码是计算机中最常用的字符编码标准，它在计算机系统中广泛使用2UnicodeUnicode是一种国际标准字符编码，它使用2个字节或4个字节来表示所有语言的字符，包括汉字、日文、韩文等Unicode包含了世界上所有语言的字符，它可以解决不同语言之间的字符编码冲突，在全球范围内使用3BCD码BCD码Binary-Coded Decimal是二进制编码的十进制数，它使用4位二进制数来表示十进制数的每一位BCD码主要用于数据处理和存储中，它可以方便地进行十进制数的运算和转换格雷码4格雷码Gray code是一种二进制编码方式，它相邻两个代码之间只有一位不同格雷码在数字信号处理和编码中被广泛应用，因为它可以有效地防止信号传输过程中出现误码指令系统定义分类指令系统是计算机硬件能够识别的所有指令的集合，它定义了计•按操作类型分类算术指令、逻辑指令、数据传送指令、控制转移指令等算机能够执行的操作类型以及操作数的格式指令系统是计算机•按操作数类型分类立即数指令、寄存器指令、存储器指令等硬件与软件之间的接口，决定了软件如何控制硬件，以及硬件如何执行软件指令格式操作码地址码指令格式中最重要的部分是操作码，它指示了CPU要执行的操作操作码地通址常码用用二来进指制定代操码作表数示在，内不存同中的的操地作址码对不应同不的同指的令指可令能需要不同的地址码，例如，有些指令需要一个地址码，有些指令需要两个地址码，还有些指令不需要地址码指令执行过程取指1从内存中取出指令译码2将指令转换为机器可执行的代码执行3根据指令执行相应的操作写回4将执行结果写入内存或寄存器指令执行过程是计算机执行程序的根本步骤它通常包含四个阶段取指、译码、执行和写回取指阶段从内存中读取指令，译码阶段将指令转换为机器可理解的代码，执行阶段根据指令执行相应的操作，最后写回阶段将执行结果写入内存或寄存器每个阶段都紧密相连，共同完成指令的执行存储器系统主存储器RAM辅助存储器硬盘高速缓存Cache主存储器是计算机系统中用于存放当前正在辅助存储器用于长期保存程序和数据，通常高速缓存是位于CPU与主存储器之间的小运行的程序和数据的核心部件它通常采用采用磁性存储器如硬盘或闪存存储器如型存储器，用于存放经常访问的数据和指令动态随机存取存储器DRAM，具有高速存SSD，容量大，但存取速度比主存储器慢它比主存储器快得多，可以显著提高计算机取的特点，但容量有限，数据会随着电源关数据在断电后不会丢失性能闭而丢失存储器层次结构缓存缓存是速度最快、容量最小的存储器，用于存储访问频率最高的程序和数据它位于CPU和主存储器之间，通过高速缓存机制，缓存可以快速访问数据，提高程序执行速度主存储器主存储器是CPU直接访问的存储器，容量比缓存大，速度比缓存慢它用于存放正在执行的程序和数据，并为CPU提供数据和指令辅助存储器辅助存储器是容量最大、速度最慢的存储器，用于存放长期保存的数据和程序它通常是硬盘或固态硬盘，数据访问速度较慢，但容量很大，可以存放大量的程序和数据主存储器概述主要特点12主存储器，也称为内存或RAM（随机存取存储器），是计算随机存取、速度快、容量小、价格高、易失性（断电数据丢失）机系统中用于存放程序和数据的核心部件它是CPU直接访问的存储器，速度快、容量较小，但价格较高工作原理类型34主存储器通过地址线和数据线与CPU进行数据交换CPU根常见的类型包括动态随机存取存储器（DRAM）和静态随据地址线指定要访问的存储单元，并通过数据线读取或写入机存取存储器（SRAM）DRAM成本低，速度慢，而SRAM数据成本高，速度快辅助存储器容量大辅助存储器通常比主存储器具有更大的容量，可以存储大量的数据，例如程序、文件、图像、视频等成本低与主存储器相比，辅助存储器的成本更低，每存储单位数据的价格更低，因此适合存储长期需要保存的数据速度慢辅助存储器的访问速度比主存储器慢，因为数据需要先从辅助存储器传输到主存储器才能被CPU访问非易失性辅助存储器中的数据即使断电也不会丢失，因此适合长期保存数据输入输出系统输入设备是将外部信息输出设备是将计算机处输入输出系统是计算机转换为计算机可以处理理的结果以人类可理解与外部世界进行交互的的信号的设备常见的的形式显示出来的设备桥梁，负责数据输入和输入设备包括键盘、鼠常见的输出设备包括显输出的管理输入输出标、扫描仪等示器、打印机、音箱等系统的设计目标是实现高效、可靠的数据传输输入设备键盘鼠标麦克风键盘是计算机最常用的鼠标是另一个重要的输麦克风用于录制声音，输入设备之一，用于输入设备，用于控制光标可以用于语音识别、视入文字、数字和符号的位置，并执行单击、频通话等应用它通常包含字母、数字、双击、滚动等操作符号键以及功能键扫描仪扫描仪将纸质文档或图片转换成数字格式，以便计算机处理和存储输出设备显示器打印机音响设备显示器是计算机最重要的输出设备之一，打印机用于将计算机数据以文本或图像音响设备用于将计算机音频输出到外部，负责将计算机处理后的信息以图像的形的形式打印到纸张上常见的打印机类例如扬声器、耳机等现代计算机通常式展现出来常见的显示器类型包括液型包括喷墨打印机、激光打印机和点阵支持多种音频格式，并提供高保真音频晶显示器（LCD）和有机发光二极管显打印机输出体验示器（OLED）核心组成CPU算术逻辑单元ALU控制单元CU寄存器组负责执行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算负（责与控、制或CP、U各非个、部异件或的）协调工作，包括指令的获用取来、存译储码CP、U执正行在和处结理果的的数存据储和指令，例如指令寄存器IR、程序计数器PC和通用寄存器算术逻辑单元功能1算术逻辑单元ALU是CPU的核心组件，负责执行各种算术和逻辑运算，包括加减乘除、位运算、比较等操作数2ALU通常从寄存器组获取操作数，进行运算并将结果存储回寄存器组控制信号3控制单元提供控制信号，指示ALU执行特定的操作，例如加法、减法、逻辑与等运算结果4ALU完成运算后，将结果存储在指定的寄存器中，供其他单元使用控制单元CPU的核心指令的解释器数据的管理者控制单元是计算机的核心，负责指挥和控制控制单元负责解释从存储器中读取的指令，控制单元管理数据在计算机系统中的流动，并协调数据在各部件之间的传输和处理整个计算机系统的运行它就像大脑，协调并将其转换为一系列控制信号，控制其他部各部件的工作，确保指令的正确执行件完成相应的操作寄存器组寄存器程序计数器PC指令寄存器IR累加器AC寄存器是CPU中高速存储单元，保存下一条要执行指令的地址，控制保程存序当的前执正行在流执程行的指令，供控制单用元于解保读存和运执算行结果，是ALU与外部数据交换的中间环节用于保存正在执行的指令、数据和地址等信息总线系统定义作用总线是计算机系统中不同功能部总线系统在计算机系统中起着至件之间传递信息的公共通路它关重要的作用，它负责数据、地就像一条高速公路，连接着址和控制信号的传输，是连接计CPU、内存、外设等各个组件，算机各个部件的桥梁，保证了系方便它们之间进行数据交换和控统各个部件之间的高效协作类型制信号传递总线可以分为内部总线和外部总线内部总线连接CPU、内存和芯片组等内部部件，而外部总线则连接硬盘、显卡、网卡等外设总线结构单总线结构多总线结构所有设备共用一条总线，结构简多个设备共用多条总线，提高了单，成本低，但效率较低，数据数据传输效率，但结构复杂，成传输冲突率高本较高层次总线结构将总线分层，不同层次的总线有不同的速度和功能，提高了系统性能，但结构更加复杂总线操作读操作1从存储器或外设读取数据到CPU或其他设备写操作2将数据从CPU或其他设备写入存储器或外设控制操作3控制总线上的其他设备，例如启动或停止设备总线操作是计算机系统中数据传输的基本方式，通过总线，CPU、内存、外设之间可以进行数据交换和控制总线操作包括读、写和控制三种基本操作，它们分别用于从总线读取数据、向总线写入数据以及控制总线上的其他设备流水线技术流水线技术通过将指令流水线技术的核心思想流水线技术类似于生产执行过程分解成多个子是将指令执行过程分成流水线，每个阶段就像任务，并使用多个功能多个阶段，每个阶段由流水线上的一道工序，单元并行执行这些子任一个专门的功能单元执多个阶段并行运作，最务，从而提高指令执行行，多个阶段的执行可终完成产品，也就是指效率，缩短程序执行时以重叠进行，从而提高令的执行间指令执行效率流水线结构指令取值1从存储器中取出下一条指令指令译码2分析指令的类型和操作数操作数取值3从存储器中取出操作数执行4执行指令的操作结果写入5将运算结果写入存储器流水线处理过程取指1从存储器中读取下一条指令，并将它放入指令寄存器IR中译码2分析指令，识别操作码和操作数，并准备执行指令执行3根据指令的操作码执行相应的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传送等访存4如果指令需要访问存储器，则从存储器中读取数据或将数据写入存储器写回5将执行结果写入目标寄存器或存储器计算机系统性能分析性能指标提升系统性能的方法评价计算机系统性能的指标主要包括吞吐率、响应时间、效率、提高计算机系统性能的方法很多，例如优化硬件、改进软件算可靠性、可用性等这些指标从不同方面反映了计算机系统的性法、使用缓存技术、提高内存带宽、使用并行处理技术等这些能，帮助用户选择合适的系统并进行优化方法可以根据具体的应用场景和需求进行选择，以达到最佳的性能表现性能指标执行时间1衡量程序执行所需的时间，通常以秒、毫秒或纳秒为单位时间越短，性能越好吞吐量2指系统在单位时间内处理的数据量，通常以每秒处理的字节数或事务数为单位吞吐量越大，性能越好响应时间3指系统对用户请求作出响应所需的时间，通常以毫秒或纳秒为单位响应时间越短，性能越好利用率4指系统资源的使用程度，通常以百分比表示利用率越高，表示资源利用率更高，但过高的利用率可能会导致系统性能下降提升系统性能的方法硬件升级软件优化网络优化系统配置更换更高性能的处理器、内存、通过代码优化、算法改进、数优化网络带宽、降低网络延迟、调整系统参数、配置资源分配、硬盘等硬件组件，可以有效提据结构调整等方式，可以降低使用高速网络协议等措施，可优化操作系统内核等，可以提升系统性能例如，使用多核程序运行时间和资源消耗，从以提高系统网络性能，减少数升系统整体性能例如，调整处理器或更高频率的内存，可而提高系统性能例如，使用据传输时间例如，使用光纤内存分配策略、优化系统缓存以提高系统处理能力更高效的算法或数据结构，可网络或更高版本的网络协议，机制，可以提高系统运行效率以减少程序运行时间可以提高网络传输速度系统并行技术并行处理的优势并行处理的类型并行处理技术能够显著提高计算机系统的性能，尤其是在处理复•指令级并行杂任务、处理海量数据和进行科学计算等场景下它通过将任务•数据级并行分解成多个子任务，并利用多个处理单元同时执行这些子任务，•任务级并行从而缩短任务完成时间，提升系统效率多核处理器双核处理器四核处理器多核处理器的优势双核处理器拥有两个独立的处理核心，可以四核处理器拥有四个独立的处理核心，进一•提升系统性能同时执行多个任务，提高系统性能每个核步提升了并行处理能力现代计算机普遍采•提高多任务处理效率心拥有自己的指令和数据缓存，独立执行指用四核或更多核心的处理器，以满足日益增•增强应用程序的响应速度令，并共享系统总线长的计算需求•降低功耗并行处理方式指令级并行通过流水线技术，将指令的执行过程分解成多个阶段，同时执行多个指令的不同阶段，从而提高指令执行效率数据级并行利用多个执行单元同时执行不同的操作，例如SIMD指令，可以对多个数据进行并行操作任务级并行将一个任务分解成多个子任务，由多个处理器或多个线程同时执行，例如多线程编程系统级并行利用多个计算机系统或集群系统协同工作，共同完成一个任务，例如分布式计算存储器层次的并行化缓存一致性多级缓存非一致性内存访问为了确保数据的一致性，需要解决缓存一现代计算机系统通常采用多级缓存结构，在某些情况下，可以采用非一致性内存访致性问题常见的解决方案包括缓存一致例如L

1、L

2、L3缓存，以提高访问速度问NUMA架构，允许不同处理器访问不性协议，例如MESI协议，确保多个处理并行化可以利用多级缓存，将不同处理器同的内存区域，从而提高并行性但是，器对同一数据块的访问和更新保持一致的数据分配到不同的缓存级别，从而提高这也会带来数据一致性问题，需要额外的数据访问效率机制来维护数据的一致性输入输出并行化提高系统吞吐率降低系统延迟通过并行处理多个I/O操作，可以对于需要进行大量I/O操作的应用显著提高系统的吞吐率例如，程序，并行I/O可以显著降低系统在磁盘I/O操作中，可以同时读取延迟例如，在数据库系统中，和写入数据，从而提高数据传输并行I/O可以加快数据的读写速度，效率提高数据库的响应时间提升系统性能通过并行化I/O操作，可以释放CPU资源，让CPU专注于更重要的任务，从而提高系统的整体性能多处理器体系结构多核处理器分布式系统多个处理器核心集成在多个计算机节点通过网一个芯片上，共享缓存络互联，协同工作，实和内存，提高性能和效现资源共享和任务分配，率提高可扩展性和容错性多处理器系统多个独立的处理器通过总线或网络互联，共享内存或分布式内存，实现并行计算分布式系统定义特点应用场景分布式系统是指由多个独立的计算机分布式系统通常具有以下特点资源分布式系统广泛应用于各种领域，例系统通过网络连接而成的系统，这些共享、并行计算、高可用性、可扩展如电子商务、社交网络、云计算、大系统协同工作，共同完成一个或多个性、容错性、分布式数据管理等数据处理、物联网等任务云计算概述数据中心网络软件云计算的核心是数据中心，它集中了大量的云计算依赖于高速、可靠的网络连接，以确保用云户计可算以提快供速各访种问软和件使服用务云，服例务如操作系统、服务器、存储设备、网络设备和其他基础设数据库、应用程序等，用户可以按需使用这施，以提供计算、存储和网络资源些服务云计算架构基础设施层虚拟化层12包括物理服务器、网络设备、存储设备等基础设施资源，是整个云计算通系过统虚的拟底化层技支术撑，将物理资源抽象成虚拟资源，例如虚拟机、虚拟网络、虚拟存储等，提高资源利用率和灵活度平台层软件层34提供各种平台服务，例如操作系统、数据库、中间件等，方便用户快速提构供建各应种用软程件序服务，例如邮箱、云存储、云计算等，满足用户的不同需求云计算服务模式基础设施即服务IaaS平台即服务PaaS软件即服务SaaS提供虚拟化的计算、存储和网络资源，用户提供软件开发和部署平台，用户可以专注于提供完整的软件应用程序，用户可以通过浏可以按需使用和管理这些资源例如应用程序的开发，而无需管理底层基础设施览器或移动设备访问和使用例如Amazon EC

2、Microsoft Azure、Google例如Heroku、Google AppEngine、AWS Salesforce、Google Docs、MicrosoftCompute EngineElastic BeanstalkOffice365虚拟化技术概念类型虚拟化技术是一种将物理硬件资源抽象成逻辑资源的技术它可•服务器虚拟化将物理服务器虚拟成多台逻辑服务器，例如VMware ESXi、Hyper-V、Xen以将一台物理服务器虚拟成多台逻辑服务器，或者将一个物理操•桌面虚拟化将物理桌面操作系统虚拟成多个逻辑桌面操作系作系统虚拟成多个逻辑操作系统虚拟化技术可以提高硬件资源统，例如Citrix XenDesktop、VMware Horizon利用率，降低硬件成本，简化系统管理，提高系统安全性•网络虚拟化将物理网络设备虚拟成多个逻辑网络设备，例如VMware NSX、Cisco ACI•存储虚拟化将物理存储设备虚拟成多个逻辑存储设备，例如VMware vSphereStorage vMotion、Microsoft StorageSpacesDirect虚拟机管理程序定义类型虚拟机管理程序（Hypervisor）是虚拟机管理程序主要分为两种类运行在主机操作系统上的软件，型裸机型（Type1）和宿主型它提供一个抽象层，允许在一个（Type2）裸机型直接运行在物理服务器上运行多个操作系统，硬件之上，宿主型则运行在操作每个操作系统运行在独立的虚拟系统之上功能机中虚拟机管理程序的主要功能包括虚拟化硬件资源、管理虚拟机、提供安全隔离、提高资源利用率等容器技术容器技术是一种轻量级容器技术的核心在于共容器技术通常与云计算虚拟化技术，它允许应享操作系统的内核，从平台集成，为应用程序用程序及其所有依赖项而减少了资源消耗和启部署、管理和扩展提供打包在一起，并以一致动时间，提高了应用程了更便捷、灵活的方式且可移植的方式运行在序的效率和可扩展性不同的环境中操作系统的发展历程第一代批处理系统1940s-1950s1例如，IBM的7090系统，主要用于科学计算，运行效率低，资源利用率不高第二代分时系统1960s2例如，MULTICS，Unix，使多个用户能够共享计算机资源，提高了资源利用率第三代个人计算机操作系统1970s-1980s3例如，MS-DOS，Mac OS，Windows，图形用户界面出现，更易于使用第四代网络操作系统1990s-至今4例如，Windows NT，Linux，Unix，支持网络连接，提供分布式计算和资源共享的能力操作系统的功能管理系统资源操作系统负责管理计算机系统的各种资源，包括CPU、内存、磁盘、外设等它通过分配和调度这些资源，确保它们能够有效地被应用程序使用提供用户接口操作系统为用户提供了一个方便的操作界面，例如命令行界面或图形用户界面通过这些界面，用户可以与系统进行交互，执行各种任务运行应用程序操作系统负责加载、执行和管理应用程序它为应用程序提供所需的资源，并处理应用程序之间的通信和协调保护系统安全操作系统通过安全机制来保护系统不受恶意攻击和非法访问例如，它可以限制用户的访问权限，并检测和阻止病毒和恶意软件操作系统概述定义主要功能12操作系统（OS）是管理计算机操作系统的功能包括管理处硬件和软件资源的软件，它为理器、内存、文件系统、外设，用户提供了一个抽象的接口，以及提供用户界面它为应用使他们能够方便地使用计算机程序提供了运行环境，并确保它负责处理来自硬件的请求，系统的稳定和安全运行类型3分配系统资源，以及运行应用常见的操作系统类型包括单用户操作系统、多用户操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统等不同的操作系统适用于不同的应用场景程序实验介绍实验是学习计算机组成本课程的实验将使用模每个实验都包含详细的原理的重要环节，通过拟器或真实硬件平台，实验指导书，详细介绍动手操作可以加深对理帮助同学们模拟计算机实验目的、步骤、要求、论知识的理解，并培养系统的运行过程，并进注意事项和相关背景知实践能力行各种操作和测试识实验项目总结实验项目概况实验成果本次实验项目旨在帮助学生深入理解计算机组成原理的核心概念，学生们在实验过程中展现出了良好的学习态度和动手能力，并取并通过实际操作加深对理论知识的掌握学生们通过完成一系列得了令人满意的实验成果他们成功地完成了预定的实验目标，实验，例如搭建简单的计算机系统、编写汇编程序等，获得了宝并能够独立分析和解决实验中遇到的问题贵的实践经验。