《计算机组成原理》课件

计算机组成原理深入探索计算机的内部结构和工作原理理解、内存、存储器等核心组件如何协同运作CPU作者课程目标理解计算机工作原理学习计算机语言了解计算机网络掌握操作系统知识掌握计算机基本组成、工作流学习汇编语言、高级语言，掌学习计算机网络的基本概念、学习操作系统的主要功能、工程和主要部件的功能握计算机程序设计的基本方法协议和应用，掌握网络通信的作原理和常见的操作系统基本原理计算机的基本组成计算机的基本组成包括硬件和软件两部分硬件是指计算机系统中看得见、摸得着的物理设备，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备软件是指计算机系统中看不见、摸不着的程序和数据，包括系统软件和应用软件运算器是计算机的核心部件，负责进行算术运算和逻辑运算控制器是计算机的指挥中心，负责控制计算机各个部件的协调工作存储器用于存放程序和数据，分为主存储器和辅助存储器输入设备用于将外部信息输入计算机，如键盘、鼠标、扫描仪等输出设备用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等数据表示二进制字符编码十进制颜色表示计算机使用二进制系统表示数编码将字符转换为二进十进制是人类常用的计数系统模型使用红、绿、蓝三ASCII RGB据，和代表开和关制值，方便计算机处理文本信，计算机内部需要将其转换为种颜色组合表示颜色，每个颜01“”“”息二进制进行处理色值用的二进制值表0-255示数制转换十进制转二进制将十进制数除以，记录余数，直到商为20将所有余数按逆序排列即为二进制数二进制转十进制将二进制数从右到左依次乘以的幂，然后相加2例如1101B=1*2^3+1*2^2+0*2^1+1*2^0=13D十进制转八进制将十进制数除以，记录余数，直到商为80将所有余数按逆序排列即为八进制数八进制转十进制将八进制数从右到左依次乘以的幂，然后相加8例如123O=1*8^2+2*8^1+3*8^0=83D十进制转十六进制将十进制数除以，记录余数，直到商为160将所有余数用和表示，按逆序排列即为十六进制数0-9A-F十六进制转十进制将十六进制数从右到左依次乘以的幂，然后相加16例如1A3H=1*16^2+10*16^1+3*16^0=419D运算方式算术运算逻辑运算12包括加减乘除等基本运算这些运算在数据处理、数值计包括与或非等逻辑运算逻辑运算用于判断条件、控制程算中发挥着重要作用序流程，是计算机决策的关键移位运算比较运算34通过移动二进制位来实现数据的快速倍增或缩减，在数据比较两个操作数的大小关系，是程序中判断条件、控制分处理和地址计算中有广泛应用支的依据存储器存储器是计算机系统中必不可少的组成部分，用于存储数据和程序指令存储器是计算机系统的记忆单元，存储着需要执行的“”CPU指令和操作的数据，是与外围设备之间进行数据交换的桥CPU梁计算机存储器分类主存储器辅助存储器高速缓存寄存器主存储器是计算机系统中直辅助存储器是用来存放暂时高速缓存是一种小容量的存寄存器是内部的一部CPU接与交互的存储器，不用的程序和数据的存储器储器，用来存放经常访问的分，用来存放数据和指令，CPU用于存放程序和数据，其容量较大，但速度较慢数据和指令供直接访问CPU它具有较高的读写速度和较它具有极高的读写速度，但它具有最快的读写速度，但小的容量，通常用半导体材它通常用于长期保存数据，价格昂贵，容量较小容量极小料制作比如硬盘、光盘等存储器的访问方式随机访问1随机访问存储器允许直接访问任何内存位置，无需RAM按顺序访问顺序访问2顺序访问存储器需要从第一个位置开始，按顺序访SAM问内存位置直接访问3直接访问存储器通过特定的地址直接访问内存位置DAM，类似于RAM结构CPU中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和处理数据CPU的结构主要包含算术逻辑单元、控制单元、寄存器组和CPU ALUCU高速缓存算术逻辑单元负责执行算术和逻辑运算，例如加减乘除和比较运算ALU控制单元负责控制的工作流程，例如读取指令、解码指令、执CU CPU行指令和写入数据寄存器组是中高速存储数据的单元，用于存储当前正在处理的数据和指CPU令高速缓存是访问速度最快的存储单元，用于存储常用的数据Cache CPU和指令，以提高的访问效率CPU指令系统指令集指令格式指令集是计算机系统硬件所能理指令格式决定了指令的结构，包解和执行的指令集合它定义了括操作码、操作数地址、操作数计算机的基本操作和功能，并决类型等不同的指令格式对应不定了计算机的性能和功能同的指令长度和操作数类型指令类型寻址方式指令类型根据操作功能分为数据寻址方式是确定操作数地址的方传送指令、算术逻辑运算指令、式，不同的寻址方式决定了指令程序控制指令、输入输出指令等的寻址范围和操作数的获取方式，每种指令类型对应不同的操作功能指令格式操作码地址码指令格式中用于指定操作类型的指令格式中用于指定操作数或操部分，它决定了指令将执行何种作数地址的部分，它指示了操作操作数在内存中的位置其他字段指令格式中可能包含的其他字段，例如标志位，用于控制指令执行过程中的某些特殊行为指令执行过程取指1从存储器中取出指令译码2对指令进行解码，识别操作码和操作数执行3根据指令的操作码，执行相应的操作写回4将执行结果写入存储器或寄存器指令执行过程是一个循环的过程，从取指开始，到写回结束每个指令的执行过程都要经过这四个步骤总线体系结构总线是计算机系统中各个部件之间传输信息的公共通路总线可以分为地址总线、数据总线和控制总线地址总线用于传输数据地址，数据总线用于传输数据，控制总线用于控制数据的传输方向和时序总线的分类数据总线地址总线控制总线数据总线用于传输数据，双向传输数据地址总线用于指定内存地址，单向传输数控制总线用于传输控制信号，双向传输数例如，将数据传送到内存据例如，向内存发送地址，选择据例如，向内存发送读写指令，CPU CPU CPU/要访问的存储单元协调数据传输输入输出系统输入输出系统是计算机与外部世界交互的桥梁它负责将外部数据和指令传送到计算机内部进行处理，并将处理结果传送到外部设备输入输出系统主要由输入输出接口、外围设备和控制系统组成输入输出接口负责接收来自外围设备的信号，并将其转换为计算机能够识别的信号；外围设备则是与计算机进行数据交互的外部设备，例如键盘、鼠标、显示器等；控制系统则负责协调输入输出设备的工作输入输出接口接口功能接口类型接口设计数据缓冲并行接口考虑数据传输速率、信号类型、控制方式••等因素地址译码串行接口••数据格式转换通用串行总线（）••USB外围设备输出设备输出设备将计算机处理后的信息转换为人类可理解的形式，例如显示器、打印机控制系统中央处理器控制单元运算器时钟电路CPU计算机的核心，负责执行指令从内存中取出指令，并解释指负责执行算术运算和逻辑运算为整个计算机系统提供同步节，控制数据流，是计算机的控令的含义，向其他部件发出控，对数据进行加工处理拍，协调各个部件的运作制中心制信号，指挥计算机运行微程序控制微程序定义微指令

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22.微程序是一组存储在控制存储微指令由操作码、地址字段和器中的指令，用于实现条件码等组成，用于控制CPU的控制功能的各个部件CPU微程序控制器优点

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44.微程序控制器是微程序控制器微程序控制具有灵活性高、易的核心，负责解释微指令并控于修改和扩展的优点，适合于制的各个部件工作实现复杂指令集的CPUCPU流水线技术指令流水线1将指令执行过程分解成多个子步骤流水线操作2多个指令同时在流水线中执行提高效率3缩短程序执行时间流水线技术是一种将指令执行过程分解成多个子步骤，并使多个指令在流水线中同时执行的技术这种技术可以显著提高计算机系统的吞吐量和效率并行处理提高效率增强性能利用多个处理单元同时执行任务多核处理器能够同时执行多个任，提高处理速度，缩短执行时间务，提升系统整体的处理能力降低成本通过并行处理，可以降低系统对硬件资源的需求，从而降低成本超标量处理技术并行执行超标量处理技术可以同时执行多条指令，显著提高处理器性能流水线超标量处理器通常结合流水线技术，进一步提升效率指令调度复杂指令调度算法保证指令的顺序执行，避免资源冲突内存层次结构内存层次结构是一种优化内存访问速度的策略它将不同速度和容量的存储器分层组织，利用高速缓存技术，将常用的数据缓存在更快的存储器中这使得可以更快地访问数据，提高计算机整体性能这种CPU分层结构通常包括高速缓存、主内存和辅助存储器高速缓存技术提高速度缓存命中

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22.缓存存储速度快于主存，用于当需要的数据或指令存CPU存储经常访问的数据和指令，在于缓存中，称为缓存命中，缩短访问时间可直接从缓存读取数据缓存不命中缓存管理

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44.当需要的数据或指令不缓存管理策略决定了如何将数CPU在缓存中，称为缓存不命中，据放入缓存，如何从缓存中淘需要从主存读取数据并存入缓汰数据，影响缓存效率存虚拟存储器虚拟内存分页虚拟内存是计算机系统中的一种技术，分页是一种虚拟内存管理技术，它将虚它允许程序使用比物理内存更大的地址拟内存划分为固定大小的页面，并将这空间些页面映射到物理内存中的框架虚拟内存通过将程序代码和数据存储在当程序需要访问某个页面时，操作系统硬盘上，并在需要时将其加载到内存中会检查该页面是否已经在内存中，如果来实现不在，就会从磁盘上加载该页面到内存中计算机性能评价发展趋势云计算人工智能

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22.云计算将成为主流趋势，提供人工智能将继续发展，并应用弹性和可扩展的计算资源于更多领域，例如自动驾驶和机器学习量子计算生物计算

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44.量子计算将突破传统计算的限生物计算将利用生物系统进行制，推动科学和技术发展计算，开创新的计算方式课程总结计算机组成原理的重要性学习成果与未来应用理解计算机组成原理对深入学习计算机科学至关重要它为后续掌握计算机组成原理能帮助我们更好地理解计算机系统的运行机的软件开发、系统架构等提供了基础知识制，并为今后从事相关领域工作奠定基础问题解答本课件内容涵盖了计算机组成原理的基本知识，如有疑问，请随时提出针对课程内容和相关概念，进行深入讨论和解答。