《计算机组成原理》课件

《计算机组成原理》课件课程概述课程目标和意义主要内容板块学习方法建议本课程旨在使学生理解计算机系统的课程主要包括计算机系统概论、指基本组成和工作原理，培养分析和设令系统、中央处理器、存储系统、输计计算机系统的能力理解计算机组入输出系统等核心模块每个模块都成原理是理解操作系统、编译原理等将深入探讨其基本概念、设计原理和后续课程的基础，对于从事计算机软实现技术，旨在构建完整的知识体硬件开发至关重要系计算机系统概论硬件与软件的关系计算机系统的层次结构12硬件是计算机系统的物理组成计算机系统可以分为多个层次，部分，包括运算器、控制器、从底层到高层依次为硬件层、存储器等软件是在硬件上运微指令层、汇编语言层、高级行的程序和数据，包括操作系语言层和应用层每一层都建统、应用软件等硬件是软件立在下一层的基础之上，并向运行的基础，软件通过控制硬上层提供服务这种层次结构件实现各种功能它们相辅相简化了计算机系统的设计和开成，共同构成完整的计算机系发统冯诺依曼体系结构·计算机发展历史第一代到第五代计算机1第一代计算机使用电子管，体积庞大、功耗高；第二代使用晶体管，体积减小、可靠性提高；第三代使用集成电路，体积更小、速度更快；第四代使用大规模集成电路，性能大幅提升；第五代计算机正在发展中，目标是实现人工智能摩尔定律2摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍这个定律在过去几十年中推动了计算机技术的快速发展但随着技术的进步，摩尔定律正面临挑战未来发展趋势3未来计算机的发展趋势包括更高的集成度、更快的运算速度、更低的功耗、更强的并行处理能力以及更智能化的应用量子计算、生物计算等新兴技术也可能对未来的计算机产生深远影响计算机系统的性能指标主频、、、CPI MIPSFLOPS主频是CPU的时钟频率，CPI是每条指令执行所需的时钟周期数，MIPS是每秒执行的百万条指令数，FLOPS是每秒执行的浮点运算次数这些指标可以衡量CPU的运算速度和处理能力，但不能完全代表计算机系统的整体性能响应时间与吞吐率响应时间是指从用户发出请求到系统给出响应的时间，吞吐率是指单位时间内系统处理的任务数量响应时间越短、吞吐率越高，系统的性能越好这些指标反映了计算机系统的整体效率和服务能力性能评测方法常用的性能评测方法包括基准测试和模拟测试基准测试是使用预定义的测试程序来评估系统的性能，模拟测试是通过建立数学模型来模拟系统的运行状态选择合适的评测方法可以更准确地评估系统的性能计算机硬件组成运算器、控制器、输入设备、输出设各部件的功能与联存储器备系运算器负责执行算术输入设备负责将外部各个部件之间通过总和逻辑运算，控制器信息输入到计算机系线相互连接，协同工负责控制指令的执行统，如键盘、鼠标作运算器在控制器顺序，存储器负责存等；输出设备负责将的指挥下从存储器中储程序和数据这三计算机系统处理后的读取数据进行运算，个部件是计算机的核信息输出到外部，如并将结果存储回存储心组成部分，它们的显示器、打印机等器或通过输出设备输协同工作实现了计算它们是计算机与外部出各个部件的协调机的各种功能世界进行交互的桥工作是实现计算机功梁能的关键冯诺依曼计算机的特点·存储程序原理二进制编码计算机将程序和数据都以二进计算机内部使用二进制编码表制形式存储在存储器中，程序示数据和指令，二进制编码简由指令序列组成，计算机按照单、易于实现，且可靠性高指令序列的顺序执行这种存所有的数据和指令都转换为二储程序原理使得计算机具有很进制形式进行存储和处理强的通用性和灵活性以运算器为中心早期的冯·诺依曼计算机以运算器为中心，所有的数据都需要通过运算器进行传输这种结构限制了计算机的运算速度和效率现代计算机已经发展为以存储器为中心的结构现代计算机结构多级存储体系现代计算机采用多级存储体系，包括高速缓存（Cache）、主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘）不同级别的2存储器具有不同的速度和容量，通过合以存储器为中心理的调度和管理，可以提高存储系统的现代计算机结构以存储器为中心，数整体性能1据可以直接在存储器和各个部件之间传输，无需经过运算器这种结构提并行处理技术高了数据传输的速度和效率，从而提现代计算机广泛采用并行处理技术，包升了计算机的整体性能括指令级并行、线程级并行和数据级并3行通过并行处理，计算机可以同时执行多个任务，从而提高运算速度和处理能力并行处理是提高计算机性能的重要手段计算机指令系统指令的基本格式1操作码和地址码2和架构比较CISC RISC3指令是计算机执行的基本操作，指令的基本格式包括操作码和地址码操作码指示计算机执行的操作类型，地址码指示操作数在存储器中的地址CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）是两种不同的指令集架构，它们在指令数量、指令长度和执行效率等方面存在差异RISC架构通常具有更高的执行效率指令执行过程取指令1分析指令2执行指令3指令执行过程包括取指令、分析指令和执行指令三个阶段取指令阶段从存储器中读取指令，分析指令阶段解析指令的操作码和地址码，执行指令阶段根据操作码执行相应的操作指令周期是指执行一条指令所需的时间程序计数器（PC）用于存储下一条要执行的指令的地址，指令寄存器（IR）用于存储当前正在执行的指令中央处理器（）结构CPU运算器和控制器寄存器组（算术逻辑单元）ALU运算器是CPU的核心组成部分，负责寄存器组是CPU内部的高速存储器，ALU是运算器的核心部件，负责执行执行算术和逻辑运算控制器负责控用于存储指令和数据寄存器组的访算术和逻辑运算ALU可以执行加、制指令的执行顺序，协调各个部件的问速度非常快，可以提高CPU的运算减、乘、除等算术运算，以及与、工作运算器和控制器协同工作，实速度和效率不同类型的寄存器具有或、非等逻辑运算ALU的性能直接现了CPU的各种功能不同的功能，如通用寄存器、地址寄影响CPU的运算速度和能力存器等的功能和工作原理CPU指令控制操作控制12CPU通过指令控制单元（ICU）来控制指令的执行顺序ICU根据程序CPU通过操作控制单元（OCU）来控制各个部件的操作OCU根据指令计数器（PC）的值从存储器中读取指令，并将指令送入指令寄存器的操作码生成控制信号，控制运算器、存储器和输入输出设备执行相应（IR）进行分析和执行ICU保证了指令按照正确的顺序执行的操作OCU保证了各个部件协同工作，完成指令的功能时序控制中断处理34CPU通过时序控制单元（TCU）来控制各个部件的时序TCU根据时钟CPU具有中断处理功能，当外部设备或系统发生异常时，CPU可以暂停信号生成时序信号，控制各个部件在合适的时间执行相应的操作TCU当前程序的执行，转而处理中断请求中断处理完成后，CPU可以返回保证了各个部件按照正确的时序协同工作到原来的程序继续执行中断处理提高了计算机系统的响应速度和可靠性数据表示与运算定点数和浮点数1定点数是指小数点位置固定的数，浮点数是指小数点位置不固定的数定点数表示的范围有限，浮点数可以表示更大的范围和更高的精度计算机内部通常使用浮点数表示实数补码表示法2补码是一种表示有符号整数的方法，它可以将减法运算转换为加法运算，简化了计算机的运算电路设计补码的表示范围比原码和反码更大，且具有唯一的零表示形式标准3IEEE754IEEE754是国际通用的浮点数表示标准，它定义了浮点数的格式、精度和运算规则IEEE754标准保证了不同计算机系统之间浮点数运算的可移植性和一致性现代计算机都支持IEEE754标准算术逻辑运算整数加减乘除运算整数加减乘除运算是计算机最基本的算术运算，它们由ALU执行计算机内部通常使用补码进行整数运算，可以将减法运算转换为加法运算，简化了运算电路设计现代计算机都具有高效的整数运算能力浮点数运算浮点数运算比整数运算更复杂，需要考虑指数和尾数的运算浮点数运算容易产生舍入误差，需要采用一定的策略来减小误差现代计算机都具有专门的浮点运算单元（FPU），可以高效地执行浮点数运算逻辑运算和移位运算逻辑运算包括与、或、非、异或等运算，移位运算包括左移和右移运算逻辑运算和移位运算在计算机中广泛应用，如控制程序的执行流程、进行位操作等它们由ALU执行，具有很高的执行效率控制器的功能与实现硬布线控制器微程序控制器控制单元的设计硬布线控制器使用固微程序控制器使用存控制单元的设计是计定的硬件电路来实现储在控制存储器中的算机组成原理的重要指令的控制功能硬微程序来实现指令的内容，它涉及到指令布线控制器具有速度控制功能微程序控的分析、控制信号的快的优点，但灵活性制器具有灵活性好的生成和时序的控制差，难以修改和扩优点，易于修改和扩控制单元的设计需要展早期的计算机通展，但速度较慢现综合考虑速度、灵活常使用硬布线控制代计算机通常使用微性和成本等因素现器程序控制器代计算机的控制单元设计越来越复杂和智能化存储系统概述存储器的分类存储器层次结构存储器可以分为主存储器和辅助存存储器层次结构是指计算机系统采储器主存储器用于存储正在运行用多级存储器，不同级别的存储器的程序和数据，辅助存储器用于存具有不同的速度、容量和成本高储大量的数据和程序根据存储介速缓存（Cache）、主存储器质的不同，存储器还可以分为半导（RAM）和辅助存储器（如硬盘）体存储器和磁存储器等构成了存储器层次结构存储器层次结构提高了存储系统的整体性能主存储器与辅助存储器主存储器是CPU可以直接访问的存储器，具有速度快的优点，但容量有限辅助存储器是CPU不能直接访问的存储器，需要通过I/O接口进行访问，具有容量大的优点，但速度较慢主存储器和辅助存储器协同工作，满足了计算机系统对存储容量和速度的需求主存储器和SRAM DRAMSRAM（静态随机存取存储器）使用触发器存储数据，具有速度快的优点，但成本较高DRAM（动态随机存取存储器）使用电容存储数据，需要定期刷新，具有成本低的优点，2和RAM ROM但速度较慢现代计算机通常使用DRAM作RAM（随机存取存储器）是一种可读可写为主存储器，使用SRAM作为高速缓存1的存储器，用于存储正在运行的程序和数据ROM（只读存储器）是一种只能读取主存储器的性能指标不能写入的存储器，用于存储计算机的基本程序，如BIOS主存储器的性能指标包括存储容量、访问速度和带宽存储容量越大，可以存储的程序3和数据越多；访问速度越快，CPU访问存储器的速度越快；带宽越大，单位时间内可以传输的数据量越多这些指标直接影响计算机系统的整体性能高速缓存（）Cache的工作原理Cache1映射方式和替换算法2一致性问题Cache3高速缓存（Cache）是一种小容量、高速的存储器，用于存储CPU经常访问的数据和指令Cache的工作原理是当CPU访问存储器时，先查找Cache中是否存在所需的数据，如果存在，则直接从Cache中读取数据，否则，从主存储器中读取数据，并将数据存储到Cache中Cache提高了CPU访问存储器的速度虚拟存储器虚拟存储的概念1页面置换算法2（转换后备缓冲器）TLB3虚拟存储器是一种将辅助存储器（如硬盘）的一部分作为主存储器使用的技术虚拟存储器可以扩大主存储器的容量，使得计算机可以运行更大的程序虚拟存储器需要页面置换算法来管理页面在主存储器和辅助存储器之间的交换TLB（转换后备缓冲器）用于加速虚拟地址到物理地址的转换外部存储器磁盘存储器固态硬盘（）光盘存储器SSD磁盘存储器是一种使用磁介质存储数固态硬盘（SSD）是一种使用闪存存光盘存储器是一种使用光介质存储数据的存储器，具有容量大、成本低的储数据的存储器，具有速度快、功耗据的存储器，具有容量大、成本低的优点，但速度较慢磁盘存储器是计低、抗震动等优点SSD正在逐渐取优点，但速度较慢光盘存储器包括算机系统中常用的外部存储器，用于代传统的机械硬盘，成为计算机系统CD-ROM、DVD-ROM和蓝光光盘等存储大量的数据和程序磁盘存储器的主流外部存储器SSD的性能指标光盘存储器主要用于存储音视频数据的性能指标包括存储容量、访问速度包括存储容量、访问速度和寿命和软件和传输速率技术RAID的概念和级别数据条带化和镜像在存储系统中的应用1RAID23RAIDRAID（独立磁盘冗余阵列）是一种数据条带化是将数据分散存储到多RAID技术广泛应用于服务器、数据将多个磁盘组合在一起，以提高存个磁盘上，以提高数据访问速度中心和个人计算机等存储系统中储系统性能和可靠性的技术RAID镜像是将数据复制到多个磁盘上，RAID可以提高存储系统的性能、可有多个级别，每个级别采用不同的以提高数据的可靠性RAID技术通靠性和可用性，是现代存储系统的数据存储和冗余方式，以满足不同常结合使用数据条带化和镜像，以重要组成部分选择合适的RAID级的应用需求实现高性能和高可靠性别可以满足不同的应用需求输入输出系统1I/O设备的分类I/O设备可以分为输入设备和输出设备输入设备用于将外部信息输入到计算机系统，如键盘、鼠标等输出设备用于将计算机系统处理后的信息输出到外部，如显示器、打印机等I/O设备是计算机与外部世界进行交互的桥梁2I/O接口的功能I/O接口是CPU与I/O设备之间的连接部件，负责数据传输、地址译码和控制信号的产生I/O接口简化了CPU与I/O设备之间的通信，使得CPU可以方便地控制和管理I/O设备3I/O方式程序I/O、中断I/O、DMA程序I/O是由CPU直接控制I/O设备进行数据传输的方式，效率较低中断I/O是由I/O设备在完成数据传输后向CPU发送中断请求的方式，CPU响应中断请求后进行数据传输，效率较高DMA（直接存储器访问）是由DMA控制器直接控制I/O设备进行数据传输的方式，CPU无需参与数据传输，效率最高总线结构总线的概念和分类总线仲裁总线标准（如、等）PCI USB总线是计算机系统中各个部件之间传输信息的总线仲裁是指多个部件竞争使用总线时，由仲总线标准定义了总线的物理特性、电气特性和公共通道总线可以分为内部总线和外部总裁器决定哪个部件获得总线的使用权总线仲协议常用的总线标准包括PCI（外围设备互线内部总线用于连接CPU、存储器和I/O接口裁可以分为集中式仲裁和分布式仲裁集中式连）、USB（通用串行总线）等总线标准保等部件，外部总线用于连接外部设备根据传仲裁由一个中央仲裁器决定总线的使用权，分证了不同厂商生产的部件可以相互兼容，提高输数据的类型，总线可以分为数据总线、地址布式仲裁由各个部件共同决定总线的使用权了计算机系统的可扩展性总线和控制总线中断系统中断的概念和类型中断处理过程多重中断和中断向量表中断是指CPU在执行程中断处理过程包括中断序的过程中，由于发生请求、中断响应、中断多重中断是指CPU在处了某种事件而暂停当前处理和中断返回四个阶理一个中断的过程中，程序的执行，转而处理段当发生中断事件时，又发生了新的中断事件该事件中断可以分为I/O设备向CPU发送中断中断向量表用于存储各内部中断和外部中断请求CPU响应中断请个中断处理程序的入口内部中断是由CPU内部求后，暂停当前程序的地址CPU根据中断向发生的事件引起的中断，执行，保存现场信息，量表找到相应的中断处外部中断是由外部设备转而执行中断处理程序理程序，并执行该程序引起的中断处理程序完成后，多重中断和中断向量表恢复现场信息，返回到提高了计算机系统的响原来的程序继续执行应速度和效率计算机的可靠性差错检测与纠正奇偶校验码差错检测是指检测数据在存储和奇偶校验码是一种简单的差错检传输过程中是否发生错误差错测码，它通过在数据中添加一个纠正是指在检测到错误后，自动校验位，使得数据中1的个数为纠正错误差错检测和纠正技术奇数或偶数，从而检测数据是否是提高计算机系统可靠性的重要发生错误奇偶校验码只能检测手段出奇数个错误，不能纠正错误海明码海明码是一种可以检测和纠正一位错误的差错纠正码海明码通过在数据中添加多个校验位，使得每个校验位可以检测出多个数据位是否发生错误，从而实现差错纠正海明码广泛应用于计算机存储系统和通信系统中并行处理技术分类法FlynnFlynn分类法是一种将计算机系统分为四类的分类方法，根据指令流和数据流的类型，将计算机系统分为SISD（单指令单数2并行计算的基本概念据流）、SIMD（单指令多数据流）、并行计算是指同时执行多个任务或多个MISD（多指令单数据流）和MIMD（多指1令多数据流）指令的技术并行计算可以提高计算机系统的运算速度和处理能力并行计算多处理器系统需要解决任务分解、任务调度和数据同步等问题多处理器系统是指具有多个处理器的计算机系统多处理器系统可以同时执行多个3任务，从而提高计算机系统的运算速度和处理能力多处理器系统需要解决处理器之间的通信和同步等问题计算机网络基础网络体系结构1局域网与广域网2网络协议简介3网络体系结构是指计算机网络的分层结构，常用的网络体系结构包括OSI模型和TCP/IP模型局域网（LAN）是指在小范围内连接多台计算机的网络，广域网（WAN）是指连接多个局域网的网络网络协议是指计算机网络中数据传输的规则和约定，常用的网络协议包括TCP、IP、HTTP等新兴计算技术云计算1边缘计算2量子计算3云计算是一种将计算资源和服务通过网络提供给用户的模式边缘计算是一种将计算任务推送到网络边缘的模式，可以减少数据传输延迟量子计算是一种利用量子力学原理进行计算的模式，具有强大的计算能力这些新兴计算技术正在改变计算机的未来课程总结知识点回顾重要概念梳理学习方法反思本课程主要介绍了计算机系统的基本本课程涉及的重要概念包括冯·诺依学习计算机组成原理需要理论与实践组成、工作原理和性能指标，包括计曼体系结构、指令周期、存储器层次相结合，认真阅读教材，积极参与课算机硬件组成、指令系统、中央处理结构、高速缓存、虚拟存储器、RAID堂讨论，完成实验作业同时，要结器、存储系统、输入输出系统等核心技术、中断系统等理解这些概念是合实际案例分析，提高解决实际问题模块通过本课程的学习，相信大家掌握计算机组成原理的关键的能力希望大家在未来的学习和工对计算机组成原理有了更深入的理作中继续努力，不断提升自己的计算解机知识和技能参考资料与拓展阅读推荐教材和参考书目在线学习资源相关学科交叉领域123本课程推荐的教材包括《计算机网上有很多优秀的计算机组成原理计算机组成原理与操作系统、编译组成原理》（唐朔飞）、《计算机课程和学习资源，如Coursera、原理、计算机网络等学科密切相组成与设计》（David 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