计算机组成原理课件

计算机组成原理本课程将深入探讨计算机系统的内部工作机制，从基础的硬件组件到复杂的指令执行过程，带您揭秘计算机的奥秘课程内容概要计算机系统概述指令系统12本部分介绍计算机系统硬件的本部分将深入讲解计算机指令基本组成，包括中央处理器的格式、类型和执行过程，包CPU、存储器、输入输出设括指令的寻址方式、指令周期备和总线系统还将探讨计算和中断机制我们将分析不同机系统的工作原理以及各组成指令集体系结构的特点和优劣部分之间的交互关系存储器系统输入输出系统34我们将详细介绍各种存储器技本部分涵盖输入输出设备的类术，包括主存储器、辅助存储型、工作原理和接口技术我器和高速缓存探讨存储器层们将深入研究中断机制、DMA次结构、虚拟存储器和存储器技术和通道控制等内容管理技术计算机系统结构计算机系统结构是指计算机系统的总体设计方案，它定义了计算机系统的各个部件之间的关系，以及这些部件如何协同工作计算机系统结构主要包括以下几个方面•指令集体系结构（ISA）定义了处理器能够执行的指令集，以及指令的格式和操作数•存储器系统结构定义了存储器的组织方式，以及处理器如何访问存储器•输入输出系统结构定义了输入输出设备如何与处理器通信，以及如何进行数据传输•总线系统结构定义了系统中各个部件之间的连接方式，以及数据如何在总线上传输计算机硬件组成运算器控制器存储器输入/输出设备负责对数据进行各种算术运算负责控制整个计算机系统的运负责存储程序和数据，分为主负责将外部信息输入到计算机和逻辑运算，是计算机的核心行，协调各个部件之间的工作存储器和辅助存储器两种系统中，并将计算机系统中的部件之一信息输出到外部核心组成CPUCPU的核心组成部分主要包括运算器、控制器和寄存器组运算器是CPU的执行单元，负责执行各种算术和逻辑运算它包含各种算术逻辑单元ALU，可以进行加减乘除、逻辑运算、位操作等控制器是CPU的控制中心，负责协调CPU内部各个部件的工作，包括从内存中取出指令、对指令进行译码、控制运算器的操作等寄存器组是CPU中高速存储单元，用于存放各种数据和指令，例如指令寄存器IR、程序计数器PC、通用寄存器等运行流程CPU取指令1从内存中读取下一条指令指令译码2解析指令，确定操作类型和操作数执行指令3根据指令执行相应的操作写回结果4将运算结果写入寄存器或内存CPU的工作流程是一个循环过程，不断重复取指令、指令译码、执行指令和写回结果这个流程被称为指令周期，它描述了CPU处理每条指令的基本步骤取指令阶段从内存中读取下一条指令，指令译码阶段解析指令，确定操作类型和操作数，执行指令阶段根据指令执行相应的操作，最后写回结果阶段将运算结果写入寄存器或内存这个循环过程不断重复，确保CPU能够持续地执行程序指令，完成各种计算和控制任务存储器系统存储器的作用存储器的分类存储器性能指标存储器是计算机系统中用来存放数据的存储器可以分为主存储器和辅助存储器存储器的性能指标主要包括容量、速度、部件，是计算机的重要组成部分它为主存储器是CPU直接访问的存储器，通价格、功耗等容量指存储器所能存储CPU提供工作区，保存程序和数据，并常称为内存；辅助存储器则是用来扩展的信息量；速度指存储器读写数据的快与CPU、输入输出设备进行信息交换主存储器容量的，通常称为外存慢；价格指存储器的成本；功耗指存储器工作时消耗的能量主存储器动态随机存取存储器DRAM静态随机存取存储器SRAM闪存Flash MemoryDRAM是目前最常用的主存储器类型它SRAM比DRAM速度更快，但成本更高、闪存是一种非易失性存储器，具有速度快、具有成本低、容量大的特点，但速度较慢容量更小它常用于高速缓存容量大、耐用性强的特点它常用于固态硬盘SSD和USB闪存盘辅助存储器硬盘固态硬盘SSD U盘光盘硬盘是目前最常用的辅助存储SSD使用闪存芯片来存储数据，U盘是一种小型、便携式存储设光盘是一种光学存储设备，通器，它是一种磁性存储设备，比硬盘速度更快，但价格更贵备，使用闪存芯片来存储数据过激光束来读写数据光盘具通过旋转的磁盘来存储数据SSD没有机械部件，更耐用、更U盘具有体积小、便于携带、存有容量大、成本低廉的特点，硬盘具有大容量、低成本的特安静，在性能和可靠性方面优储速度快的特点，适合存储少但存储速度较慢点，适合存储大量数据，但访于传统硬盘量数据，方便数据传输问速度较慢输入输出系统输入设备将外界信息转化为计算机输出设备将计算机处理的结果以人可以识别的形式类可理解的形式展现出来外围设备接口连接输入输出设备与主机的桥梁输入设备键盘鼠标键盘是计算机最主要的输入设备，鼠标是另一个重要的输入设备，用于输入文本、数字和命令常用于控制光标和选择对象常见见的键盘类型包括标准键盘、笔的鼠标类型包括机械鼠标、光电记本键盘和游戏键盘鼠标和激光鼠标扫描仪麦克风扫描仪用于将图像或文档转换为麦克风用于录制音频，以便在计数字形式，以便在计算机上进行算机上进行存储、编辑或播放存储和处理常见的扫描仪类型常见的麦克风类型包括桌面麦克包括平面扫描仪、手持扫描仪和风、领夹式麦克风和USB麦克鼓式扫描仪风输出设备显示器打印机音响设备显示器是将计算机处理后的信息以图像形打印机将计算机中的数据转换为纸质文档，音响设备将计算机中的音频数据转换为声式呈现给用户的输出设备，常见类型包括常见类型包括音输出，常见类型包括•喷墨打印机•扬声器•液晶显示器LCD•激光打印机•耳机•等离子显示器PDP•点阵打印机•有机发光二极管OLED外围设备接口外围设备接口是连接计算机系统和外接口负责将计算机内部的并行数据转围设备的桥梁，允许数据在两者之间换为外设需要的串行数据，或反之，传递以保证数据传输的完整性接口还负责控制外设的工作状态，例如启动、停止、数据传输等，确保外设能够正常工作中央处理器中央处理器CPU是计算机系统的核心部件，负责执行指令、控制数据流、处理数据等核心任务它就像计算机的大脑，决定了计算机的运算速度和处理能力CPU的主要功能包括•执行指令•控制数据流•处理数据•管理内存•与其他设备进行通信指令集体系结构指令格式寻址方式指令格式定义了指令的组成部分，寻址方式是指CPU如何获取指令例如操作码、操作数和地址码等，所需的操作数，常见的寻址方式不同指令集的指令格式可能有所包括立即寻址、寄存器寻址、直差异例如，一些指令集可能使接寻址、间接寻址等，不同的寻用固定长度的指令，而另一些指址方式会影响指令的执行效率和令集可能使用可变长度的指令程序的可读性指令类型指令类型是指指令的功能，常见的指令类型包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、跳转指令、输入输出指令等，指令类型决定了CPU能够执行哪些操作指令执行流程取指令1从内存中读取指令译码2将指令转换为CPU可执行的格式执行3执行指令，操作数据写回4将结果写入内存或寄存器存储器管理内存分配内存碎片虚拟内存操作系统如何分配内存给不同程序和进程，当内存被分配和释放后，会留下一些小的空将磁盘空间用作虚拟内存，扩展物理内存容确保它们不会相互干扰闲区域，称为碎片碎片会降低内存利用率，量，让程序可以访问超出物理内存容量的数影响程序性能据存储器层次结构概念层次结构为了解决速度差异和成本问题，现代计算机系统采用存储器层次从上到下，速度越来越慢，容量越来越大，成本越来越低，分别结构，通过多个级别存储器协同工作，来提供高性能和低成本的为缓存（Cache）、主存储器（Main Memory）和辅助存储器存储解决方案（Secondary Storage）虚拟存储器虚拟存储器是一种将物理内存与逻辑内存分开的技术它通过使用分页或分段机制，允许程序使用比物理内存更大的地址空间虚拟存储器使用硬盘空间作为扩展的内存，当程序需要访问数据时，操作系统会将数据从硬盘加载到物理内存中缓存存储器缓存存储器Cache是位于CPU和主存储器之间的高速缓冲存储器，用于存放经常访问的程序和数据它比主存储器速度更快、容量更小，但价格更高缓存存储器的原理是局部性原理，即程序访问的内存空间通常会集中在某个区域，或者程序访问同一区域内的不同数据，比如循环语句，就会反复访问相同的数据缓存存储器可以有效提高系统的性能，因为它可以减少CPU访问主存储器的次数，从而降低系统整体的运行时间输入输出系统输入设备输出设备外围设备接口输入设备是指将人们能理解的信息转换输出设备是指将计算机处理后的信息转外围设备接口是指连接外围设备和计算为计算机能处理的信息的设备，如键盘、换为人们能理解的信息的设备，如显示机系统之间的桥梁，负责数据传输和控鼠标、扫描仪等器、打印机、音箱等制信号的传递中断机制定义作用12中断是一种硬件机制，允许外中断机制可以有效地提高系统设或系统内部事件向CPU发出效率，实现异步操作，并增强信号，迫使CPU暂停当前正在系统可靠性执行的程序，转而执行中断处理程序类型处理流程34中断类型包括硬件中断、软中断处理过程涉及中断请求、件中断、异常中断响应、中断处理、中断返回等步骤技术DMA直接内存访问DMA允许外围设备直DMA显著提高数据传输速度，因为接访问内存，而无需CPU的干预CPU可以继续处理其他任务DMA控制器管理数据传输，协调CPU和外围设备之间的交互总线系统定义作用总线是计算机系统中不同功能部件之间传输信息的公共通路，它总线主要负责传输数据、地址和控制信号，是计算机系统中实现就像一条高速公路，连接着CPU、内存、外设等各个组件数据传输和协调控制的关键部件总线结构12单总线多总线所有设备共享一条总线，结构简单，将系统分成多个子系统，每个子系统成本低廉，但性能较差使用独立的总线，可以提高性能，但系统复杂度增加3层次总线多个总线按照不同的级别和速度进行组织，可以平衡性能和成本，是现代计算机系统中常用的结构总线仲裁集中式仲裁分布式仲裁12由一个专门的仲裁器来决定哪由总线上的所有设备共同决定个设备可以访问总线仲裁器谁可以使用总线每个设备都根据优先级或其他策略来分配有一个仲裁逻辑，它们相互竞总线使用权，例如轮询、优先争，通过信号线进行通信，最级编码等终决定谁获得总线控制权链式仲裁3每个设备连接到一个共享的仲裁线，具有最高优先级的设备拥有该线，可以访问总线当最高优先级的设备不需要访问总线时，它会释放仲裁线，其他设备可以竞争访问微程序控制基本概念1微程序控制是一种将CPU的控制信号序列存储在存储器中，并由专门的硬件（微程序控制器）读取和执行的控制方式它将复杂指令分解成一系列简单微操作，每个微操作对应一条微指令，并将这些微指令存储在微程序存储器中，形成微程序工作原理2微程序控制器根据当前指令的地址，从微程序存储器中读取相应的微指令，并根据微指令中的控制信号控制CPU的各个部件完成相应的操作这种方式将指令的执行过程分解为一系列微操作，提高了控制的灵活性优势3微程序控制具有以下优势

1.提高了CPU的控制灵活性，可以方便地修改指令系统或添加新指令；

2.简化了CPU的硬件设计，减少了控制逻辑的复杂性；

3.易于实现并行控制，提高了CPU的执行效率微程序控制单元控制存储器微指令译码器存储微程序，即一系列微指令，将微指令转换为控制信号，用于用于控制计算机的基本操作控制计算机的各个部件微地址产生器产生下一条微指令的地址，用于控制微程序的执行顺序微指令格式操作码地址码指定微指令执行的操作，如取数、运指示操作数的地址或操作的控制单元算、地址修改等的地址控制码控制微操作的执行方式，如传送方向、运算类型等微程序的执行获取微指令首先，控制单元会从控制存储器中获取当前指令对应的微指令译码微指令控制单元对获取到的微指令进行译码，识别出各个控制字段的含义执行微指令根据微指令的控制字段，控制单元会发出相应的控制信号，控制各个功能部件完成相应操作，例如，数据传送、运算操作、地址选择等更新控制地址控制单元根据微指令中的下一地址字段，确定下一条要执行的微指令的地址，为执行下一条微指令做好准备流水线技术概念流水线技术是一种将任务分解成多个子任务，并由多个处理单元并行执行的处理方式，以提高效率优点流水线技术能够显著提高系统的吞吐率，减少指令执行时间，增强系统性能应用流水线技术广泛应用于现代计算机系统中，包括指令流水线、数据流水线等流水线的概念并行执行提高吞吐率流水线技术将一条指令的执行过程分解为多个子任务，并通过多流水线技术能够在同一时间段内处理多条指令，有效提升系统的个功能单元同时执行这些子任务，从而提高指令执行效率吞吐率，即单位时间内完成的指令数量流水线的分类单级流水线多级流水线只有一个流水线级，每个阶段只执行一条指令的一部分操作，例如将指令执行过程分成多个阶段，每个阶段执行一个独立的操作，多取指令、译码、执行、存储这种流水线结构简单，但效率相对较个指令同时在不同的阶段进行执行，提高了指令的吞吐率和执行效低，适合于简单指令集和较低频率的处理器率多级流水线是现代计算机系统中普遍采用的技术，可以显著提高处理器性能指令流水线123概念优势挑战指令流水线是指将指令执行过程分解成多个子任务，指令流水线的主要优势在于提高指令执行速度通指令流水线也存在一些挑战，例如数据相关性、控并由多个功能部件并行执行这些子任务，以提高指过将指令执行过程分解为多个子任务，并由多个功制相关性和资源冲突数据相关性是指后续指令需令执行速度的技术它类似于工厂流水线，将生产能部件并行执行，可以减少指令执行的总时间例要依赖前序指令的结果，控制相关性是指后续指令过程分解为多个步骤，由多个工人同时完成不同步如，一个简单的指令流水线可以将取指、译码、执的执行路径依赖于前序指令的执行结果，而资源冲骤，从而提高生产效率行、写回等操作分别由不同的功能部件并行执行，突是指多个指令同时需要使用同一个资源，例如寄从而提高指令执行速度存器或存储器这些挑战需要通过相应的技术手段来解决，例如数据转发、分支预测、流水线调度等存储器层次结构缓存主存储器缓存存储器（Cache）是介于主存储器（Main Memory）是计CPU和主存储器之间的一级高速算机系统中直接与CPU交换数据缓冲存储器，其速度比主存储器快的存储器，它是一种半永久性存储很多，容量比主存储器小很多缓器，断电后数据会丢失主存储器存的作用是存储CPU最近访问过通常由DRAM（动态随机存取存的指令和数据，以便下次访问时可储器）芯片构成，其特点是速度较以更快地获取，提高程序运行速度快，容量较大辅助存储器辅助存储器（Secondary Storage）也称为外存储器，它是用来保存程序和数据的一种永久性存储器，断电后数据不会丢失辅助存储器通常由硬盘、光盘、磁带等设备构成，其特点是速度较慢，容量很大高速缓存高速缓存（Cache）是介于CPU和主存储器之间的一级存储器，它是一种容量较小但速度非常快的存储器高速缓存用于存储CPU最常访问的数据和指令，以减少访问主存储器的次数，提高系统性能高速缓存的基本原理是局部性原理，即程序访问的指令和数据往往集中在较小的地址范围内高速缓存利用这一特性，将经常访问的数据和指令复制到高速缓存中，以便CPU能更快地访问它们虚拟存储器虚拟存储器是一种技术，它允许程序使用比物理内存更大的地址空间这通过将程序的一部分存储在磁盘上，并在需要时将其加载到内存中来实现虚拟存储器提供以下优势•多任务处理多个程序可以同时运行，即使它们需要的内存总量超过物理内存容量•更大的程序程序可以比物理内存更大，因为只加载正在使用的部分•内存保护不同的程序可以共享内存，但它们不能相互干扰输入输出系统输入设备输出设备网络接口输入设备将来自外部世界的信息转换为计算输出设备将计算机处理结果转换为人类可感现代计算机通常通过网络接口连接到外部世机能够识别的信号，例如键盘、鼠标、扫描知的形式，例如显示器、打印机、扬声器等界，实现数据传输、资源共享等功能仪等中断机制定义中断类型12中断是CPU从当前执行的程序中断可以分为硬件中断和软件中暂时切换到处理其他事件的中断，硬件中断由外部设备触机制，例如I/O完成、异常情发，软件中断由程序指令触发况发生等中断处理流程3当中断发生时，CPU会保存当前程序的执行状态，并跳转到中断处理程序，处理完中断后，再恢复程序的执行状态，继续执行原程序技术DMA直接内存访问提高效率DMA（Direct MemoryAccess，直DMA技术有效地减少了CPU对数据传接内存访问）技术允许外围设备直接输的参与，提高了数据传输效率，释访问主内存，无需CPU干预放CPU用于执行其他任务数据传输流程DMA控制器负责数据传输的控制，包括地址生成、数据传输和错误检测等总线系统数据总线地址总线控制总线用于传输数据，包括指令、数据和地址用于指定存储器单元或外设的地址地址用于传输控制信号，例如读写控制信号、数据总线的宽度决定了计算机一次可以传总线的宽度决定了计算机可以访问多少个时钟信号和中断信号控制信号控制着计输多少数据，通常以位数表示例如，32存储器单元或外设例如，32位地址总线算机各个部件之间的协调工作，确保数据位数据总线可以一次传输32位的数据可以访问2^32个存储器单元或外设和指令的正确传输和执行。