《计算机组成原理》课件

《计算机组成原理》欢迎来到《计算机组成原理》的世界！本课程旨在深入探讨计算机系统的核心架构与设计理念，揭示计算机硬件与软件之间如何协同工作，共同构建出功能强大的计算平台我们将从最基础的数字逻辑电路开始，逐步深入到、存储器、系统等核心组件的原理与实现，帮助大家建立起对计算机CPU I/O系统完整的认知框架让我们一起探索计算机科学的奥秘吧！课程导言在本课程中，我们将系统地学习计算机组成原理的核心概念，包括数据表示与运算、结构与指令系统、存储器系统、系统以及总线系统等课程CPU I/O还将涉及操作系统的相关知识，如存储管理、进程管理、处理机调度、死锁问题、文件管理和管理等通过本课程的学习，你将能够深入理解计算机I/O系统的组成、工作原理以及性能优化的方法，为后续的计算机相关课程打下坚实的基础课程目标学习方法12全面理解计算机系统的组成和理论学习与实践操作相结合，工作原理加深理解考核方式3考试、作业、实验报告等多维度综合评价计算机系统概述计算机系统是一个复杂的整体，它由硬件和软件两大部分组成，两者缺一不可硬件是计算机系统的物理基础，包括中央处理器（）、存储器、输入输出（）设备等软件则是运行在硬件之上的程序和数据，它控制着硬件的工作，实现各种功能硬件和CPU/I/O软件协同工作，才能构成一个完整的计算机系统硬件系统软件系统、存储器、设备等物理部件操作系统、应用程序等程序和数据CPU I/O数据的表示与运算在计算机中，所有的数据都以二进制的形式表示不同的数据类型，如整数、浮点数、字符等，都有其特定的二进制表示方法计算机中的运算，本质上都是对二进制数据的操作掌握数据的表示方法和运算规则，是理解计算机工作原理的基础二进制数整数表示计算机中最基本的数据表示形式原码、反码、补码等不同的表示方法浮点数表示标准IEEE754数字逻辑电路基础数字逻辑电路是计算机硬件的基础，它由各种逻辑门电路组成，如与门、或门、非门等逻辑门电路可以实现各种逻辑运算，如与、或、非等通过组合不同的逻辑门电路，可以构建出各种复杂的数字电路，实现计算机的各种功能与门或门非门只有所有输入都为真时，输出才为真只要有一个输入为真时，输出就为真输入为真时，输出为假；输入为假时，输出为真组合逻辑电路设计组合逻辑电路的输出只取决于当前的输入，而与过去的输入无关常用的组合逻辑电路包括加法器、乘法器、比较器、编码器、译码器等组合逻辑电路的设计，需要根据具体的功能需求，选择合适的逻辑门电路，并进行合理的连接，以实现所需的功能加法器1实现加法运算的电路乘法器2实现乘法运算的电路比较器3比较两个数的大小的电路时序逻辑电路设计时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于过去的输入，即电路具有记忆功能常用的时序逻辑电路包括触发器、寄存器、计数器等时序逻辑电路的设计，需要考虑电路的时序特性，如时钟信号、建立时间、保持时间等，以保证电路的正确工作触发器存储一位二进制信息的电路寄存器存储多位二进制信息的电路计数器对输入脉冲进行计数的电路结构和指令系统CPU是计算机的核心部件，它负责执行指令，控制计算机的运行的结构包括运算器、控制器、寄存器组和内部总线等指令系CPU CPU统是所能执行的指令的集合，不同的有不同的指令系统指令系统的设计，直接影响的性能和功能CPU CPU CPU控制器2负责控制指令的执行运算器1负责执行算术和逻辑运算寄存器组存储指令和数据3指令系统设计指令系统是与软件之间的接口，它定义了所能执行的指令指令系统的设计需要考虑指令的格式、寻址方式、指令类型等CPU CPU良好的指令系统设计，可以提高程序的执行效率，简化程序的编写，并增强系统的可移植性指令格式1指令的组成结构寻址方式2确定操作数地址的方法指令类型3算术指令、逻辑指令、控制指令等指令系统的设计，需要在硬件的复杂度和软件的易用性之间进行权衡，选择最适合具体应用需求的方案微程序控制微程序控制是一种常用的控制方式，它将每条指令的执行分解成一系列的微操作，并将这些微操作存储在控制存储器中，形成微CPU程序通过执行微程序来完成指令的执行微程序控制具有灵活性高、易于修改等优点CPU微指令1控制存储器中的指令微程序2微指令的序列控制存储器3存储微程序的存储器存储器系统存储器系统是计算机系统中用于存储程序和数据的部件存储器系统包括主存储器（内存）和辅助存储器（外存）等存储器系统的性能，直接影响计算机系统的整体性能需要根据不同的应用需求，选择合适的存储器类型和组织方式，以满足性能和成本的要求硬盘RAM ROM存储器RAM（随机存取存储器）是一种易失性存储器，它可以随机地读写数据是计算机系统中的主存储器，用于存储正在运行的程序和数据RAM RAM的特点是速度快，但断电后数据会丢失根据不同的工作原理，可以分为静态（）和动态（）两种RAM RAMRAM SRAMRAM DRAMSRAMDRAM速度快，但成本高成本低，但速度较慢存储器ROM（只读存储器）是一种非易失性存储器，它可以存储数据，但不能随意地写入数据通常用于存储计算机系统的启动程序ROM ROM和等的特点是断电后数据不会丢失根据不同的写入方式，可以分为掩膜、、和等BIOS ROM ROMROM PROM EPROM EEPROM掩膜ROMPROMEPROMEEPROM在生产过程中写入数据，不可以写入一次数据，不能擦可以使用紫外线擦除数据，可以使用电信号擦除数据，能修改除可以多次写入可以多次写入外部存储器外部存储器（外存）是一种非易失性存储器，它可以长期地存储数据常用的外存包括硬盘、固态硬盘、盘、光盘等外存的特点是容量大，但速度较U慢外存通常用于存储操作系统、应用程序、用户数据等硬盘1容量大，成本低，但速度较慢固态硬盘2速度快，但成本较高盘U3便携性好，但容量较小系统I/O系统是计算机系统中用于与外部设备进行数据交换的部件系统包括I/O I/O接口、设备和软件等系统的性能，直接影响计算机系统的整I/O I/O I/O I/O体性能需要根据不同的应用需求，选择合适的接口和设备，以满足性能I/O和功能的要求接口I/O与设备之间的桥梁CPU I/O设备I/O输入设备、输出设备、存储设备等软件I/O设备驱动程序等中断和DMA中断是一种响应外部事件的机制当外部设备需要服务时，它会向发出中断请求在完成当前任务后，会暂停当前CPU CPU CPU CPU任务，转去处理中断请求（直接存储器访问）是一种数据传输方式，它允许设备直接与内存进行数据交换，而无需DMA I/O I/O的干预，从而提高数据传输效率CPUDMA中断1设备直接与内存进行数据交换的方I/O响应外部事件的机制CPU2式总线系统总线是一种计算机系统中用于连接各个部件的公共通道总线系统包括地址总线、数据总线和控制总线等总线的性能，直接影响计算机系统的整体性能需要根据不同的应用需求，选择合适的总线类型和组织方式，以满足性能和成本的要求地址总线1用于传输地址信息数据总线2用于传输数据信息控制总线3用于传输控制信息性能评价指标CPU的性能是衡量计算机系统整体性能的重要指标常用的性能评价指标包括主频、指令周期、（每条指令的时钟周期数）、（每秒百万条指令数）和（每CPU CPUCPI MIPSFLOPS秒百万次浮点运算数）等需要综合考虑这些指标，才能全面地评价的性能CPU流水线技术流水线技术是一种提高性能的重要技术它将一条指令的执行分解成多个阶段，如取指令、译码、执行和写回等，并将这些阶段CPU并行地执行，从而提高指令的吞吐率流水线技术可以有效地提高的性能，但也会带来一些问题，如数据冒险、控制冒险和结构CPU冒险等冒险流水线中的冲突超标量处理器超标量处理器是一种可以并行地执行多条指令的它通过增加指令的发射宽度，即每个时钟周期可以发射多条指令，来提高CPUCPU的性能超标量处理器需要复杂的硬件支持，如多条流水线、指令调度器和寄存器重命名等指令发射宽度乱序执行每个时钟周期可以发射的指令数指令可以不按照程序顺序执行多核处理器多核处理器是一种在一个芯片上集成多个核心的处理器多核处理器可CPU以并行地执行多个线程，从而提高程序的并行度多核处理器需要操作系统和应用程序的支持，才能充分发挥其性能线程1程序执行的最小单位并行度2可以同时执行的线程数虚拟存储器虚拟存储器是一种将物理内存扩展到大于实际内存的技术它通过将一部分硬盘空间作为内存使用，使得程序可以访问大于实际内存的空间虚拟存储器需要操作系统和硬件的支持，如页表、（转换旁路缓存）等TLB页表存储虚拟地址和物理地址的映射关系TLB加速地址转换的缓存缓存存储器缓存存储器（）是一种位于和内存之间的快速存储器它用于存储经常访问的数据，从而减少访问内存的次数，Cache CPUCPUCPU提高的性能缓存存储器通常由实现，速度快但成本高CPU SRAM命中率缓存行1访问的数据在缓存中的概率缓存存储数据的最小单位CPU2存储层次结构存储层次结构是一种将存储器按照速度和成本进行分层的结构它将速度快但成本高的存储器（如缓存）放在层次结构的顶端，将速度慢但成本低的存储器（如硬盘）放在层次结构的底端通过合理地组织存储层次结构，可以有效地提高存储器的性能缓存1速度最快，成本最高内存2速度较快，成本较高硬盘3速度最慢，成本最低存储层次结构的设计目标是在保证性能的前提下，尽可能地降低成本操作系统与计算机系统操作系统是计算机系统中最重要的软件，它负责管理计算机的硬件资源，并为应用程序提供运行环境操作系统是硬件和软件之间的桥梁，它使得应用程序可以方便地访问硬件资源，而无需关心硬件的具体细节操作系统是计算机系统中不可或缺的一部分进程管理存储管理文件管理管理安全管理I/O存储管理存储管理是操作系统的重要功能之一，它负责管理计算机的内存资源，包括内存的分配、回收和保护等存储管理的目标是提高内存的利用率，并保证程序的安全运行常用的存储管理技术包括分页、分段和段页式等分页分段将内存分成固定大小的页将内存分成逻辑段进程管理进程管理是操作系统的重要功能之一，它负责管理计算机的进程，包括进程的创建、撤销、调度和通信等进程是程序的一次执行过程，它是操作系统资源分配的基本单位常用的进程调度算法包括先来先服务、短作业优先和时间片轮转等进程线程程序的一次执行过程进程中的执行单元处理机调度处理机调度是操作系统的重要功能之一，它负责将分配给不同的进程，CPU使得多个进程可以并发地执行处理机调度的目标是提高的利用率，并CPU保证各个进程的公平性常用的处理机调度算法包括先来先服务、短作业优先和时间片轮转等先来先服务1按照进程到达的先后顺序进行调度短作业优先2优先调度运行时间短的进程时间片轮转3将时间分成固定大小的时间片，轮流分配给各个进程CPU死锁问题死锁是指多个进程因为互相等待对方释放资源而导致的永久阻塞状态死锁的产生需要满足四个必要条件互斥条件、请求与保持条件、不可剥夺条件和循环等待条件解决死锁问题的方法包括预防死锁、避免死锁、检测死锁和解除死锁等互斥条件请求与保持条件资源只能被一个进程占用进程在请求新资源的同时，保持对已有资源的占用文件管理文件管理是操作系统的重要功能之一，它负责管理计算机的文件，包括文件的创建、删除、读写和保护等文件是存储在外部存储器上的数据的集合，它是操作系统组织和管理数据的基本单位常用的文件系统包括、和等FAT32NTFS ext4文件目录1存储在外部存储器上的数据的集合组织和管理文件的结构2管理I/O管理是操作系统的重要功能之一，它负责管理计算机的设备，包括设备的驱动、分配和控制等管理的目标是提高设I/O I/O I/O I/O备的利用率，并保证操作的正确性常用的控制方式包括程序查询、中断和等I/O I/O DMA设备驱动程序1操作系统与设备之间的接口I/O控制方式I/O2程序查询、中断、DMA计算机网络基础计算机网络是指将多台计算机通过通信线路连接起来，实现资源共享和信息交换的系统计算机网络可以按照不同的标准进行分类，如按照拓扑结构可以分为星型网络、环型网络、总线型网络和网状网络等常用的网络协议包括协议等TCP/IP计算机体系结构发展趋势计算机体系结构的发展趋势主要包括以下几个方面多核处理器、异构计算、云计算和物联网等多核处理器可以提高程序的并行度，异构计算可以提高特定应用的性能，云计算可以提供弹性计算资源，物联网可以将物理世界与数字世界连接起来这些发展趋势将推动计算机体系结构不断向前发展量子计算利用量子力学原理进行计算处理器RISC（精简指令集计算机）是一种指令集体系结构，其特点是指令数量少、指令格式简单、寻址方式简单和执行速度快处理RISC RISC器通常采用流水线技术，可以提高指令的吞吐率处理器广泛应用于移动设备和嵌入式系统中RISC指令数量少指令格式简单指令集精简便于译码处理器CISC（复杂指令集计算机）是一种指令集体系结构，其特点是指令数量多、CISC指令格式复杂、寻址方式复杂和功能强大处理器通常采用微程序控制CISC，可以灵活地实现各种指令处理器广泛应用于桌面计算机和服务器中CISC指令数量多1指令集丰富指令格式复杂2功能强大超级标量处理器超级标量处理器是一种可以并行地执行多条指令的它通过增加指令的CPU发射宽度，即每个时钟周期可以发射多条指令，来提高的性能超级标CPU量处理器需要复杂的硬件支持，如多条流水线、指令调度器和寄存器重命名等多条流水线并行执行指令指令调度器调整指令执行顺序多线程技术多线程技术是指在一个进程中创建多个线程，使得多个线程可以并发地执行多线程技术可以提高程序的并行度，从而提高程序的性能多线程技术需要操作系统和应用程序的支持，才能充分发挥其性能线程线程切换1程序执行的最小单位操作系统在多个线程之间进行切换2并行处理技术并行处理技术是指将一个大的计算任务分解成多个小的计算任务，并将这些小的计算任务分配给多个处理器并行地执行并行处理技术可以提高程序的计算速度，从而提高程序的性能并行处理技术广泛应用于科学计算和工程计算等领域任务分解1将大的计算任务分解成小的计算任务任务分配2将小的计算任务分配给多个处理器内存层次技术内存层次技术是指将内存按照速度和成本进行分层的技术它将速度快但成本高的内存（如缓存）放在层次结构的顶端，将速度慢但成本低的内存（如硬盘）放在层次结构的底端通过合理地组织内存层次结构，可以有效地提高内存的性能缓存内存硬盘设备总线及其标准设备总线是一种计算机系统中用于连接各种设备的公共通道设备总线具有多种标准，如、、和等不同的设备总线PCI PCIe USB SATA标准具有不同的特点，适用于连接不同的设备选择合适的设备总线标准，可以提高计算机系统的扩展性和兼容性PCIeUSB高速串行总线通用串行总线输入输出接口输入输出接口是计算机系统中用于与外部设备进行数据交换的部件输入输出接口包括串口、并口、接口和网络接口等不同的USB输入输出接口具有不同的特点，适用于连接不同的外部设备选择合适的输入输出接口，可以提高计算机系统的灵活性和可扩展性串口并口串行数据传输并行数据传输外围设备控制外围设备控制是指计算机系统对外围设备的管理和控制外围设备控制包括设备的驱动、分配和控制等外围设备控制的目标是提高设备的利用率，并保证设备操作的正确性常用的外围设备控制方式包括程序查询、中断和等DMA设备驱动程序1操作系统与外围设备之间的接口设备分配2操作系统将设备分配给进程使用计算机系统软硬件协同设计计算机系统软硬件协同设计是指在计算机系统设计过程中，同时考虑硬件和软件的因素，并进行协同优化软硬件协同设计可以提高计算机系统的性能、可靠性和可维护性软硬件协同设计是计算机系统设计的重要趋势性能优化提高计算机系统的性能可靠性提高增强计算机系统的稳定性小结与展望在本课程中，我们系统地学习了计算机组成原理的核心概念，包括数据表示与运算、结构与指令系统、存储器系统、系统以及总线系CPU I/O统等希望大家通过本课程的学习，能够深入理解计算机系统的组成、工作原理以及性能优化的方法，为后续的计算机相关课程打下坚实的基础随着科技的不断发展，计算机体系结构也将不断地创新和演进未来，我们将看到更多的多核处理器、异构计算、云计算和物联网等技术的应用，为人类的生活带来更多的便利和惊喜让我们共同期待计算机技术的未来！课程回顾未来展望1总结本课程的主要内容展望计算机技术的发展趋势2。