《组成原理复习大纲》课件

《组成原理复习大纲》本课件旨在帮助大家系统梳理组成原理知识体系，为期末考试做好充分准备课程简介涵盖内容学习目标教学方式本课程将全面介绍计算机系统的基本原通过学习本课程，学生将掌握计算机系本课程采用课堂讲授、实验练习、课后理，包括计算机组成、指令系统、存储统的工作原理，理解计算机硬件的结构讨论等多种教学方式，帮助学生深入理器系统、输入输出系统、结构、流和功能，并能够进行简单的计算机系统解课程内容CPU水线技术、存储层次结构、总线系统等设计计算机组成概述计算机组成是计算机科学的重要基础课程，它着重介绍计算机系统的硬件结构、工作原理以及各组成部分之间的相互关系，并探讨计算机系统性能优化、可靠性设计等关键问题数据的表示和运算进制转换数据类型算术运算逻辑运算了解十进制、二进制、八进掌握整型、浮点型、字符型理解计算机中加、减、乘、掌握与、或、非、异或等逻制和十六进制之间的转换关等数据类型，以及它们在计除等基本算术运算的实现原辑运算，以及它们在计算机系，以及如何进行进制之间算机中的表示方式理，以及溢出、舍入等问题中的应用，如条件判断、数的转换的处理据比较等指令系统指令格式寻址方式12指令格式定义了指令的结构寻址方式指定了指令中操作，包括操作码、操作数和地数的地址如何确定，例如立址字段等即寻址、寄存器寻址等指令类型3指令类型包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令等控制器设计控制器的功能控制器是计算机的核心，负责解释指令、控制数据流动、协调各个部件工作控制器的组成控制器主要包含指令译码器、操作控制器、时序控制器等控制器设计方法常用的设计方法包括微程序控制和硬布线控制，各有优劣控制器性能优化通过优化指令流水线、减少控制信号延迟等方式提升控制器性能存储器系统存储器概述存储器类型存储器是计算机系统中用来保常见的存储器类型包括主存储存数据的部件，它可以存储程器（）、辅助存储器（硬RAM序、数据和操作系统盘、固态硬盘）、高速缓存（）Cache存储器结构存储器性能存储器结构主要包括地址空间存储器性能指标包括访问速度、数据空间和控制逻辑、容量、成本等输入输出系统输入输出系统是计算机与外界进行信息交换的桥梁它负责将用户输入的数据和指令转换为计算机可以理解的格式，并将计算机处理的结果输出给用户常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而常见的输出设备包括显示器、打印机、音箱等结构CPU算术逻辑单元控制单元ALU CU执行算术和逻辑运算控制指令的执行流程寄存器组存储数据和指令流水线技术概念1将指令执行过程分解成多个阶段优势2提高效率，提升系统性能CPU应用3现代计算机普遍采用流水线技术指令级并行流水线技术超标量技术超线程技术将指令的执行过程分解成多个阶段，并在同一个时钟周期内，同时执行多条指在同一个处理器内核中，模拟多个逻辑使多个指令的不同阶段同时执行，从而令，提高处理器并行处理能力处理器，提高多线程程序的执行效率提高指令执行效率存储层次结构速度与成本访问速度容量123速度越快的存储器，成本越高最快的存储器是寄存器，其次是最快的存储器容量最小，最慢的存储层次结构利用了这种特性，高速缓存，最后是主存而磁盘存储器容量最大将不同速度和成本的存储器组合和磁带的速度最慢在一起，以满足不同的需求高速缓存技术高速缓存技术是现代计算机系统中提高性能的关键技术之一它通过在和主存之间增加一层高速缓存来减少内存访问延迟，从而提高程序执CPU行速度高速缓存的工作原理是将经常访问的数据存储在高速缓存中，当需要CPU访问数据时，首先检查高速缓存，如果数据存在，则直接从高速缓存中读取，如果数据不存在，则从主存中读取数据并将其复制到高速缓存中总线系统连接各个部件数据传输速率控制信号外围设备外围设备是指连接到计算机系统但不属于中央处理单元或主存储器的任何设备它们通常用于与外部世界进CPU行交互，例如输入数据、输出结果或控制其他设备常见的外部设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、存储设备如硬盘、盘和网络接口卡等U系统软件操作系统编译器汇编器数据库管理系统管理计算机硬件资源，为用将高级语言编写的程序翻译将汇编语言编写的程序翻译管理数据库，提供数据存储户提供统一的接口，并管理成计算机可执行的机器语言成机器语言、查询、更新和维护等功能应用程序运行的环境性能评价指标能耗优化技术电源管理热管理通过优化电源管理策略，降低利用高效的散热系统和热管理功耗，提高系统效率技术，减少能源浪费动态电压频率调节根据负载变化动态调整电压和频率，降低功耗冗余与容错技术数据冗余硬件冗余通过复制数据，防止数据丢失，提使用多个相同硬件组件，提高系统高系统可靠性容错能力软件冗余通过软件机制，检测和修复错误，提升系统稳定性总线仲裁协议集中式仲裁分布式仲裁12由一个中央仲裁器决定哪个多个设备协商共享总线，没设备可以访问总线有中央仲裁器优先级仲裁轮询仲裁34每个设备有优先级，优先级设备依次轮流访问总线，每高的设备优先访问总线个设备有固定的访问时间内存管理机制内存分配内存保护内存共享内存回收将内存分配给不同的进程和防止进程访问其他进程的内允许多个进程共享部分内存释放不再使用的内存，以防线程，以确保它们能够正常存空间，以确保系统安全性空间，以提高资源利用率止内存泄漏并提高系统性能运行和稳定性中央处理器的发展历程第一代1945-19561电子管为主，体积庞大，速度慢，功耗高代表机型ENIAC、EDVAC第二代1956-19632晶体管取代电子管，体积减小，速度提高，功耗降低代表机型IBM

1401、IBM7090第三代1963-19713集成电路技术应用，体积更小，速度更快，性能提升代表机型IBMSystem/

360、DEC PDP-11第四代至今1971-4大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）技术发展，CPU性能不断提升，功能越来越强大代表机型Intel

4004、Intel

8080、Intel

8086、IBM PC微体系结构设计指令集架构数据通路ISA定义的指令集和寄存器数据在内部流动的路径CPU CPU，决定能执行的操作和，包括算术逻辑单元、CPU ALU数据类型寄存器组和内存访问单元控制单元负责控制的所有操作，包括指令的获取、解码和执行CPU并行处理技术多核处理器图形处理器集群计算在单个芯片上集成多个处理器核心，提专门用于图形渲染和计算，提供高并行将多个独立计算机连接在一起，协同工高处理速度处理能力作以解决复杂问题嵌入式系统设计嵌入式系统通常采用专用处理器和定制嵌入式系统的设计过程包括需求分析、嵌入式系统软件通常使用语言或汇编C硬件，以满足特定应用需求硬件选择、软件开发、测试验证等环节语言，并需要考虑资源限制和实时性...未来发展趋势量子计算人工智能边缘计算量子计算将彻底改变计算机科学，为解人工智能在组成原理中发挥着越来越重边缘计算将计算资源和数据存储转移到决当前无法解决的问题开辟新的可能性要的作用，推动着计算机系统的设计和更接近用户的位置，提高实时性并降低应用的革新延迟重点难点梳理数据表示指令系统进制转换、浮点数表示、运算指令格式、寻址方式、指令周规则、溢出处理等期、流水线技术等存储器系统输入输出系统存储器层次结构、高速缓存、中断机制、技术、接口DMA I/O虚拟内存等等复习建议知识点梳理练习题巩固真题模拟系统地回顾每个章节的重点内容，构建通过做习题检验学习成果，发现薄弱环熟悉考试题型和难度，提高应试技巧和知识框架节并针对性地进行复习答题效率综合实践通过实际操作，加深对课程内容的理解和运用例如，尝试设计并实现简单的计算机系统或应用程序，并分析其性能和优缺点课程总结本课程系统地介绍了计算机组成原理，包括计算机系统概述、数据表示与运算、指令系统、控制器设计、存储器系统、输入输出系统、结构、CPU流水线技术、存储层次结构、总线系统、外围设备、系统软件、性能评价指标、能耗优化技术、冗余与容错技术、总线仲裁协议、内存管理机制、中央处理器的发展历程、微体系结构设计、并行处理技术、嵌入式系统设计、未来发展趋势等。