《计算机组成》课件

《计算机组成》计算机组成是计算机科学的重要基础课程它揭示了计算机内部的结构、工作原理和各个部件之间的相互联系作者课程简介计算机硬件计算机软件学习计算机系统的物理组成部分，包括CPU、深入了解操作系统、编程语言、编译器等软件内存、存储器、输入输出设备等系统如何协同工作计算机网络计算机数据探讨计算机网络的原理、协议、架构，以及网学习数据表示、存储、处理等方面的知识，理络通信技术解计算机如何处理信息计算机系统层次结构应用层1提供用户可用的应用程序，例如网页浏览器、文字处理软件等系统软件层2管理和控制计算机硬件资源，例如操作系统、数据库管理系统等硬件层3包括计算机的物理组成部分，例如中央处理器、内存、硬盘等这种层次结构将计算机系统分成不同的抽象层次，每个层次都建立在更低层次的基础上，并为更高层次提供服务计算机硬件组成中央处理器主存储器CPU RAMCPU是计算机的大脑，负责执行RAM是计算机的短期记忆，用于指令和处理数据存储当前正在使用的程序和数据输入输出设备总线系统/输入/输出设备，如键盘、鼠标总线是计算机内部各个组件之间、显示器等，用于与用户交互和连接的桥梁，用于传输数据和控获取数据制信号中央处理器中央处理器CPU是计算机系统的核心，负责执行指令、处理数据和控制整个系统它是计算机的“大脑”CPU由运算器、控制器、寄存器和高速缓存组成，通过总线与主存储器、输入/输出设备连接，执行存储在主存储器中的指令CPU的主要功能包括取指令、解码指令、执行指令、存储结果它处理所有计算、逻辑操作和数据流，使计算机能够运行各种程序执行流程CPU1234指令获取指令译码指令执行结果存储从内存中获取下一条指令解析指令，确定操作码和根据指令类型和控制信号将执行结果存入内存或寄，并存入指令寄存器操作数，并生成相应的控，执行相应操作，例如运存器中，以便后续使用制信号算、数据传输等指令集和寻址方式指令集寻址方式

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22.指令集是计算机系统能够执行寻址方式定义了指令中操作数的所有指令的集合每个指令地址的计算方法，常见的有立包含操作码和操作数即寻址、寄存器寻址、直接寻址、间接寻址等指令格式指令系统

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44.指令格式决定了指令中操作码指令系统是指计算机系统提供、操作数和地址字段的排列方的全部指令的集合，包括数据式，常见的有定长指令格式和传送指令、算术运算指令、逻变长指令格式辑运算指令、控制转移指令等运算器和控制器运算器控制器运算器执行算术和逻辑运算，对数据进行处理，完成指令指定的控制器控制整个计算机系统的操作，从存储器取出指令，解释指运算操作令，并发出相应的控制信号，协调计算机各部件工作存储器系统存储器是计算机系统中的核心部件之一它是用来存储程序和数据的重要场所存储器系统是指由多个存储器部件组成的系统，它们相互配合，共同完成程序和数据的存储、读取和管理存储器系统主要包括主存储器、高速缓存和辅助存储器主存储器是CPU直接访问的存储器，用于存放当前正在执行的程序和数据高速缓存是用来加速主存储器访问的存储器，它存放了主存储器中常用的数据辅助存储器是用来存放长期保存的数据和程序的存储器，它通常容量较大、价格较低主存储器定义类型特点主存储器也称为内存，是计主存储器主要分为两种类型主存储器具有速度快、容量算机系统中直接与CPU交互随机存取存储器（RAM）大、价格昂贵等特点它与的核心部件它用于存储正和只读存储器（ROM）CPU的速度和容量直接影响在运行的程序和数据，供RAM是易失性存储器，数据着计算机的性能CPU随时访问断电后会丢失；ROM是非易失性存储器，数据断电后不会丢失存储器层次缓存1速度最快，容量最小主存2速度较快，容量中等辅存3速度最慢，容量最大存储器层次结构是一种分层结构，由速度和容量不同的存储器组成，可以提高系统的性能高速缓存高速缓存（Cache）是位于CPU和主存储器之间的一级存储器，用于存放主存储器中经常被访问的数据和指令高速缓存的访问速度远快于主存储器，可以有效地减少CPU访问主存储器的次数，提高程序运行效率输入输出系统/输入设备输出设备

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22.键盘、鼠标、扫描仪等，将外显示器、打印机、扬声器等，部信息转换为计算机可处理的将计算机内部信息转换为人类信号可感知的形式接口控制器

33.I/O

44.I/O连接计算机内部和外部设备，控制输入/输出设备的操作，实现数据传输和控制管理数据传输，并与CPU交互输入设备键盘鼠标键盘是输入设备中最常用的，用鼠标是常用的指向设备，用于控于输入文字、数字、符号等信息制光标移动、选择和操作计算机键盘种类繁多，包括机械键盘、薄膜键盘等扫描仪触摸屏扫描仪可以将纸质文档、照片等触摸屏可以直接用手指或触控笔转换成电子图像，并将图像数据在屏幕上进行操作，已成为智能输入计算机手机、平板电脑等移动设备的标准配置输出设备显示器打印机扬声器调制解调器将计算机处理后的结果以图形将计算机处理后的结果以纸质将计算机处理后的声音信号转用于将计算机数据转换为可通或文字的形式显示给用户形式输出换为可听见的声音过电话线传输的信号总线系统定义总线是连接计算机各个部件的通信路径功能传输数据、地址和控制信号，协调各个部件之间的通信分类•数据总线•地址总线•控制总线类型•内部总线•外部总线总线的物理特性信号线类型总线宽度总线频率总线类型总线信号线分为地址线、数总线宽度是指总线上数据线总线频率是指总线上信号变总线类型多种多样，例如并据线和控制线地址线用于数量，决定一次传输的数据化的频率，也称为时钟频率行总线、串行总线、内部总指定访问的存储器单元或外位数线、外部总线等设总线宽度越宽，数据传输速频率越高，数据传输速度越不同类型总线具有不同的特数据线用于传输数据，控制度越快，但成本也会更高快，但功耗也会更高点，适用于不同的应用场景线用于控制数据传输和协调各种设备总线的逻辑特性数据传输方式时序控制总线仲裁总线协议总线传输数据的方式有串行和总线时序控制负责协调各设备总线仲裁用于解决多个设备争总线协议定义了各设备之间数并行两种，串行传输速度较慢之间的数据传输，常见时序控用总线资源的问题，常见的仲据传输的规则，包括数据格式但成本较低，并行传输速度快制方式有同步时序和异步时序裁方式有集中式仲裁和分布式、传输方式、时序控制等方面但成本较高，同步时序由时钟信号控制，仲裁，保证各设备能够协调工作异步时序由握手信号控制中断机制定义1中断是CPU暂停当前任务，转而处理其他事件的机制类型2中断分为硬件中断和软件中断，分别由外部硬件和软件触发过程3中断处理包括中断请求、中断响应、中断处理和中断返回等步骤外围设备接口接口类型接口标准

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22.串行接口、并行接口、USB接定义了接口的物理特性、信号口、PCI接口等，为计算机系协议、数据传输方式，确保设统提供扩展能力备兼容性接口功能接口技术

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44.提供数据传输、控制信号、地随着技术发展，接口技术不断址译码等功能，实现计算机与更新，例如高速接口、智能接外设的交互口等，提高数据传输效率系统软件系统软件作用系统软件充当硬件和应用程序之间的桥梁它为应用程序提供运行环境，管理计算机资源，保障系统安全系统软件概述系统软件是管理计算机硬件资源和提供用户程序运行环境的软件它负责管理计算机硬件资源，提供用户界面，运行应用程序操作系统概述系统管理程序执行操作系统管理计算机硬件资源，操作系统负责加载、执行和管理如CPU、内存、磁盘等它提供应用程序它提供进程管理、内对这些资源的抽象接口，使应用存管理和文件管理等功能，以确程序能够更方便地使用保程序能够正常运行用户界面操作系统提供用户界面，使用户能够与计算机交互，例如图形界面（GUI）或命令行界面（CLI）进程管理进程控制进程调度进程同步进程通信创建、终止、挂起和激活进程选择就绪进程，分配CPU资源协调多个进程的执行顺序和数进程之间交换信息，实现协同据共享工作存储管理内存分配操作系统管理内存，分配给应用程序和系统进程内存保护防止程序访问未分配的内存区域，确保系统稳定性虚拟内存利用磁盘空间扩展内存，允许运行超出物理内存大小的程序文件管理文件组织访问控制文件系统是操作系统的重要组成部分，它文件管理还包括文件访问权限的管理，以负责管理计算机中的文件和目录保护用户数据安全数据存储文件操作文件管理系统负责将文件分配到不同的存用户可以通过文件管理系统进行文件创建储设备，并进行数据备份和恢复、删除、修改、复制等操作设备管理设备连接驱动程序设备分配设备管理负责管理计算机系统中各种输入操作系统提供驱动程序来控制和管理不同设备分配包括为每个设备分配一个唯一的输出设备设备管理程序负责分配和管理的设备驱动程序是特定于设备的软件，标识符，以及管理设备的访问权限设备，并提供统一的接口给应用程序使用它允许操作系统与硬件交互安全机制访问控制数据加密安全审计安全更新访问控制是通过授权机制限数据加密可以将敏感信息转安全审计可以记录和分析系定期更新系统软件和安全补制对系统资源的访问，确保换成无法理解的格式，防止统活动，识别潜在的安全风丁可以修复系统漏洞，防止数据和资源的完整性和机密未经授权的访问和修改险和违规行为恶意攻击和入侵性例如，使用加密算法和密钥例如，记录用户登录和操作例如，安装最新的操作系统例如，用户身份验证和访问来保护数据传输和存储的安日志，以及系统事件和错误补丁和安全软件更新权限控制可以防止未经授权全信息的访问性能评价计算机系统的性能评价是一个重要环节，它可以帮助我们了解系统运行效率，并为系统优化提供参考性能评价指标主要包括以下几个方面12速度吞吐量CPU时钟频率、指令执行速度单位时间内处理的数据量34响应时间效率系统对请求做出响应的时间系统资源的利用率为了获得更准确的评价结果，需要使用各种性能测试工具和方法结构发展趋势多核化云计算

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22.随着工艺技术的进步，芯片可云计算的兴起，导致服务器架以容纳更多晶体管，多个核心构从传统的单机模式转变为分在同一个芯片上运行，提升性布式架构，拥有更高的扩展性能和可靠性人工智能量子计算

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44.人工智能技术的发展，促使计量子计算技术的不断突破，将算机结构向更加适应神经网络会带来全新的计算机结构和运和深度学习算法的架构转变算模式，并彻底改变当前的计算范式课程总结本课程深入探讨了计算机组成原理，涵盖了计算机系统层次结构、硬件组成、软件组成、性能评价等方面通过学习，同学们能够理解计算机的工作原理，掌握分析和设计计算机系统的能力，为后续深入学习计算机相关领域奠定坚实基础。