《计算机组成原理》课件

计算机组成原理本课程探讨计算机系统的基本构成单元及其工作原理课程目标和内容掌握计算机基本组成学习计算机系统结构理解计算机硬件各部分的功能掌握数据表示、指令系统和存与工作原理储原理培养系统思维计算机系统的层次结构硬件层物理设备与电子电路微架构层微操作序列与控制信号指令系统层机器指令与寄存器操作系统层系统调用与进程管理应用层用户程序与应用软件冯诺依曼计算机结构·运算器存储程序执行算术逻辑运算程序和数据存储在同一存储器中控制器指令的解释和执行输入输出设备存储器信息输入与输出的途径程序和数据的存放计算机硬件的基本组成中央处理器CPU运算器和控制器的组合执行指令和数据处理存储器主存储器内存和辅助存储器存放程序和数据输入/输出设备实现人机交互和数据传输键盘、鼠标、显示器等总线系统连接各个部件的公共通道数据、地址和控制总线计算机软件的分类应用软件满足用户特定需求的程序系统软件控制计算机操作的基础程序固件存储在只读存储器中的程序计算机性能指标时钟频率CPI MIPSCPU的工作节拍速度每条指令的平均时钟周每秒执行的百万条指令期数数单位赫兹Hz越小越好衡量处理速度FLOPS每秒执行的浮点运算次数衡量科学计算能力数制与编码二进制八进制十进制十六进制基数为2，数字0和1基数为8，数字0-7基数为10，数字0-9基数为16，数字0-9,A-F计算机内部表示的基础早期计算机常用人类日常使用程序设计与调试常用二进制算术运算二进制加法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10二进制减法0-0=0，1-0=1，1-1=0，0-1需借位二进制乘法基于移位和加法操作二进制除法基于移位和减法操作定点数的表示和运算原码表示符号位+绝对值反码表示正数不变，负数按位取反补码表示反码+1，计算机常用移码表示补码符号位取反，用于浮点指数浮点数的表示和运算标准单精度位IEEE7543212国际通用的浮点数表示方法1位符号，8位指数，23位尾数特殊值双精度位6443零、无穷大、非数NaN1位符号，11位指数，52位尾数算术逻辑单元（）的基本结构ALU24主要功能模块基本运算算术单元和逻辑单元加、减、乘、除61逻辑操作状态标志位与、或、非、异或等进位、溢出、零、符号等加法器和减法器的设计半加器全加器12两个输入，无进位输入两个输入加一个进位输入串行加法器并行加法器34逐位加法，性能较低同时处理所有位，速度快乘法器的基本原理移位操作被乘数左移或乘数右移部分积形成根据乘数位决定是否加被乘数部分积累加各部分积相加得到最终结果除法器的基本原理恢复余数法不恢复余数法加速技术试商后余数为负则恢复，再右移余数为负时直接加除数，提高效率提前试商与并行处理存储系统概述存储器的层次结构寄存器1速度最快，容量最小Cache高速缓冲存储器主存RAM，程序运行的场所辅存硬盘，容量大速度慢的工作原理RAMSRAM DRAM静态随机存取存储器动态随机存取存储器触发器存储，无需刷新电容存储，需定期刷新速度快，功耗高，成本高密度高，成本低用于Cache用于主存的类型和应用ROMMROM掩模型只读存储器内容在制造时确定PROM可编程只读存储器用户一次性编程EPROM可擦除可编程只读存储器紫外线擦除EEPROM/Flash电可擦除可编程只读存储器电擦除，应用广泛主存储器与的连接CPU地址总线数据总线控制总线CPU指定访问的存储单元传输读取或写入的数据传输读/写控制信号的工作原理Cache时间局部性刚被访问的数据可能很快再次被访问空间局部性被访问数据附近的数据可能很快被访问块替换根据替换算法选择被替换的块命中率Cache访问成功的比率，越高越好映射方式Cache直接映射全相联映射组相联映射主存块只能映射到特定缓存行主存块可映射到任意缓存行主存块可映射到指定组内任意行替换算法Cache随机替换FIFO随机选择被替换块替换最早调入的块LFU LRU替换使用频率最低的块替换最久未使用的块虚拟存储器概念基本思想特点地址转换程序局部性原理主存空间自动分配逻辑地址→物理地址主存作为辅存的缓存编程容量无限制MMU硬件支持部分装入，请求调入多道程序并发运行快表TLB加速转换页式虚拟存储器页表记录逻辑页与物理页框的映射关系页面划分将程序和数据划分为固定大小的页页面置换当页面失效时，选择页面调出页面调度按需将页面在主存和辅存间移动段式和段页式虚拟存储器段式存储段页式存储地址变换按逻辑单位分段，长度可变先分段再分页，兼顾灵活性和效率多级地址转换，需硬件支持外部存储器概述磁盘存储器机械硬盘，大容量，速度较慢固态存储器SSD，速度快，无机械部件光盘存储器CD/DVD/BD，容量大，便于保存闪存U盘，便携式存储设备磁盘存储器的工作原理盘面磁道磁头一个盘片有两个盘面同心圆环，划分数据区读写数据的装置域盘片扇区磁性材料制成，存储数磁道上的弧段，存储单3据位2415固态硬盘（）技术SSD闪存芯片控制器接口NAND闪存，非易失性管理闪存读写SATA接口无机械部件，抗震磨损均衡，垃圾回收PCIe接口，NVMe协议指令系统概述指令系统指令集架构指令特性计算机硬件的语言指令格式和执行模式数据操作的基本单位操作码和操作数的集合向软件提供的硬件抽象机器码和汇编语言表示指令格式操作码字段指定操作性质地址码字段指定操作数位置模式位说明操作方式寻址方式立即寻址直接寻址间接寻址操作数直接在指令中给指令中给出操作数地址指令中给出操作数地址出的地址寄存器寻址操作数在寄存器中和指令系统CISC RISC特性CISC RISC指令数量多少指令长度变长定长寻址方式丰富简单执行方式微程序控制硬布线控制寄存器数量较少较多代表产品x86ARM的功能和基本结构CPU运算器ALU执行算术逻辑运算控制器CU控制指令的执行过程寄存器组暂存数据和地址的高速存储单元内部总线连接各个功能部件指令周期译码周期取指周期分析指令的操作码从内存取出指令执行周期执行指令规定的操作写回周期访存周期将结果写回相应位置若需要，访问内存数据通路功能1完成指令执行过程中的数据处理和传送组成2运算器、寄存器、内部总线、多路选择器等类型3单总线结构、多总线结构操作4由控制器发出的微操作信号控制控制器的功能和结构指令控制控制取指令、分析指令和执行指令的过程时序控制产生各种时序信号，协调各部件工作微操作控制产生各种微操作控制信号中断处理响应和处理中断请求硬布线控制器组合逻辑电路时序逻辑电路产生与时序无关的控制信号产生与时序相关的控制信号缺点优点结构复杂，难以修改速度快，效率高微程序控制器控制存储器1存放微程序微指令控制一组微操作的指令微程序实现一条机器指令的微指令序列微程序计数器4指向下一条要执行的微指令指令流水线基本概念流水线原理类比理解性能提升指令执行过程分段并行处理类似工厂流水线作业方式理想状态下吞吐率大幅提高五段式指令流水线取指IF从存储器取指令译码ID分析指令，读取寄存器执行EXALU操作，计算地址访存MEM读写存储器写回WB结果写入寄存器流水线的冒险和处理方法结构冒险数据冒险硬件资源冲突指令间数据依赖解决资源复制或流水线停顿解决转发、停顿或编译优化控制冒险分支指令造成的不确定性解决分支预测或延迟分支中断系统概述中断概念硬件中断暂停当前程序，转而执行其他程序由外设或硬件故障引起中断优先级软件中断决定多个中断同时发生时的处理顺序由指令或异常条件引起中断的处理过程中断请求设备发出中断信号中断响应CPU检测并响应中断请求现场保护保存当前程序的状态信息中断服务4执行中断服务程序现场恢复恢复保存的状态信息继续执行返回被中断的程序继续执行多重中断和中断屏蔽多重中断中断服务过程中又发生新的中断中断嵌套高优先级中断可中断低优先级中断服务程序中断屏蔽暂时禁止某些中断的响应中断向量指向中断服务程序入口地址的指针总线概述总线定义计算机各部件之间的公共传输通道传输内容地址信息、数据信息和控制信息总线特性机械特性、电气特性、功能特性和时间特性性能指标总线宽度、总线带宽、时钟频率等总线的分类片内总线1芯片内部的总线系统总线连接CPU、内存与I/O接口的总线外部总线3连接外设的总线，如USB、SATA总线仲裁集中仲裁分布仲裁链式仲裁由一个中央仲裁器处理所有仲裁总线连接的各部件共同决定总线使用权优先权通过菊花链方式依次传递总线操作和定时同步定时半同步定时用统一时钟控制数据传送同步和异步相结合1234异步定时分离式事务使用应答方式协调数据传送允许总线在等待响应时处理其他请求输入输出系统概述功能基本组成实现CPU与外部设备的数据交换I/O接口（控制器）I/O通道和各种外部设备协调CPU与外设的速度不匹配方式I/O程序查询、中断驱动DMA方式、通道方式输入输出接口数据缓冲器控制状态寄存器地址译码器缓存输入输出数据存放控制信息选择特定I/O设备协调不同速度设备反映设备当前状态识别I/O地址程序查询方式查询设备状态识别设备就绪CPU反复检查设备就绪标志就绪后进行数据传送2继续查询数据传送3传送完成后继续查询执行输入或输出操作中断驱动方式启动I/OCPU发出I/O命令后继续执行其他任务发起中断设备就绪后向CPU发出中断请求响应中断CPU暂停当前任务，保存现场中断服务执行数据传送操作恢复执行传送完成后恢复被中断的任务方式DMA概念DMA直接存储器访问，不通过CPU直接在内存和I/O设备间传送数据控制器DMA管理数据传送，包含地址计数器、数据计数器和控制逻辑传送方式DMA停止CPU访存、周期挪用、DMA与CPU交替访存特点块传送，高效率，适合高速I/O设备通道方式通道定义通道类型专门负责输入输出操作的处理机字节多路通道执行通道程序，控制多个设备数组选择通道数组多路通道优点进一步减轻CPU负担实现CPU、通道和I/O设备的并行工作外部设备概述输出设备存储设备将计算机结果输出长期保存数据输入设备通信设备将信息输入计算机实现计算机间数据传送2314输入设备键盘鼠标触摸屏将击键转换为电信号输入计算机光电、机械或光学原理检测移动电阻式、电容式、红外线等技术输出设备显示器打印机打印机3DCRT、LCD、LED、OLED等技术针式、喷墨、激光等类型层叠成型技术，多种材料计算机组成原理的发展趋势多核处理器集成更多处理核心异构计算CPU、GPU、专用加速器协同工作新型存储技术非易失性存储器，突破内存墙神经网络处理器专为AI应用优化的硬件架构课程总结与回顾5核心模块处理器、存储器、输入输出、指令系统、总线10+关键概念冯·诺依曼架构、指令周期、流水线、缓存等60知识点覆盖计算机组成的各个方面∞应用价值计算机类专业的基础，支撑后续课程学习。