《南京大学计算机组成原理》课件

南京大学计算机组成原理课程概述与教学安排本课程将系统讲解计算机组成原理的核心概念，包括计算机系统的层次结构、冯·诺依曼模型、指令系统、存储系统、输入输出系统等教学内容分为理论讲解、实验操作和课程设计三个部分理论讲解主要介绍计算机组成的基本原理和设计方法，实验操作通过实际操作加深对理论知识的理解，课程设计则综合运用所学知识，设计一个简单的计算机系统每周安排3学时理论课和2学时实验课课程考核方式包括平时成绩（30%）、实验成绩（30%）和期末考试成绩（40%）平时成绩主要考察课堂参与度、作业完成情况等实验成绩主要考察实验报告质量、实验操作技能等期末考试成绩主要考察对课程理论知识的掌握程度鼓励学生积极参与讨论，提出问题，共同进步理论课程实验操作系统讲解计算机组成原理的核心概念，包括计算机系统的层次结构、冯·诺依曼模型、指令系统、存储系统、输入输出系统等计算机系统的层次结构计算机系统是一个复杂的层次结构，从上到下依次为应用软件、操作系统、系统软件、指令集体系结构（ISA）、硬件五个层次每个层次都建立在下一层的基础之上，并向上层提供服务应用软件是用户直接使用的软件，操作系统管理计算机的资源，系统软件提供一些公共的服务，指令集体系结构定义了计算机可以执行的指令，硬件是计算机系统的物理基础理解计算机系统的层次结构，有助于我们更好地理解计算机系统是如何运作的不同层次之间的接口是至关重要的，例如，应用软件通过操作系统提供的接口来访问硬件资源指令集体系结构是硬件和软件之间的桥梁，它定义了软件可以使用的指令，以及硬件如何执行这些指令在设计计算机系统时，需要充分考虑各个层次之间的接口，以确保系统的正确性和高效性应用软件操作系统系统软件硬件用户直接使用的软件管理计算机的资源提供公共的服务冯·诺依曼计算机模型冯·诺依曼计算机模型是现代计算机的基础，它定义了计算机的基本结构和工作方式冯·诺依曼模型包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分其中，存储器用于存储程序和数据，运算器用于执行算术和逻辑运算，控制器用于控制程序的执行，输入设备用于将数据输入计算机，输出设备用于将计算机的计算结果输出冯·诺依曼模型的特点是采用二进制、存储程序和顺序执行尽管现代计算机在冯·诺依曼模型的基础上进行了很大的改进，但其基本结构和工作方式仍然遵循冯·诺依曼模型的思想理解冯·诺依曼模型，有助于我们更好地理解计算机的工作原理例如，程序存储的概念使得计算机可以自动执行程序，而不需要人工干预顺序执行的概念使得计算机可以按照指令的顺序执行程序，从而完成复杂的计算任务运算器控制器存储器执行算术和逻辑运算控制程序的执行存储程序和数据输出设备计算机性能评价指标计算机性能评价指标是衡量计算机系统性能的重要标准常用的性能评价指标包括吞吐量、响应时间、CPU利用率、内存利用率、磁盘利用率等吞吐量是指单位时间内计算机系统处理的任务数量，响应时间是指计算机系统对用户请求的响应时间，CPU利用率是指CPU的忙碌程度，内存利用率是指内存的使用情况，磁盘利用率是指磁盘的使用情况选择合适的性能评价指标，可以帮助我们更好地了解计算机系统的性能瓶颈，并进行优化不同的应用场景对计算机性能的要求不同例如，对于科学计算应用，吞吐量是一个重要的性能指标，因为科学计算应用通常需要处理大量的数据对于交互式应用，响应时间是一个重要的性能指标，因为交互式应用需要快速响应用户的请求在选择计算机系统时，需要根据具体的应用场景，选择合适的性能评价指标吞吐量1单位时间内处理的任务数量响应时间2对用户请求的响应时间CPU利用率3CPU的忙碌程度内存利用率4内存的使用情况数制与编码二进制运算计算机中使用二进制表示数据，因此二进制运算是计算机组成原理的重要组成部分二进制运算包括加法、减法、乘法、除法等二进制加法遵循逢二进一的原则，二进制减法需要考虑借位，二进制乘法可以通过移位和加法实现，二进制除法可以通过移位和减法实现掌握二进制运算，有助于我们更好地理解计算机是如何进行计算的二进制运算在计算机中有着广泛的应用例如，计算机中的算术逻辑单元（ALU）就是通过二进制运算来实现各种算术和逻辑操作的在进行程序设计时，也需要了解二进制运算的规则，才能编写出高效的程序例如，可以使用位运算来实现一些高效的算法加法减法1逢二进一考虑借位2除法4乘法3移位和减法移位和加法数制与编码补码表示法补码是一种常用的有符号数的表示方法，它可以将减法运算转换为加法运算，简化了计算机的设计补码的计算方法是，正数的补码等于其原码，负数的补码等于其反码加1例如，+5的补码是00000101，-5的补码是11111011使用补码表示法，可以避免出现+0和-0两种表示方法补码表示法在计算机中有着广泛的应用例如，计算机中的算术逻辑单元（ALU）就是使用补码来进行有符号数的运算的在进行程序设计时，也需要了解补码的规则，才能正确地处理有符号数例如，需要注意补码的溢出问题正数负数补码等于其原码补码等于其反码加1数制与编码浮点数表示浮点数是一种用于表示实数的编码方式，它可以表示非常大或非常小的数浮点数通常由符号位、尾数和阶码三部分组成符号位表示数的正负，尾数表示数的有效数字，阶码表示数的数量级常用的浮点数标准包括IEEE754标准了解浮点数的表示方法，有助于我们更好地理解计算机是如何处理实数的浮点数运算在计算机中有着广泛的应用例如，科学计算、图形图像处理等领域都需要使用浮点数进行计算在进行程序设计时，需要了解浮点数的精度问题，以及浮点数运算的舍入误差例如，需要避免使用浮点数进行精确的比较符号位1表示数的正负尾数2表示数的有效数字阶码3表示数的数量级数制与编码ASCII与UnicodeASCII码是一种常用的字符编码方式，它使用7位二进制数来表示128个字符，包括英文字母、数字、标点符号和控制字符Unicode是一种更加完善的字符编码方式，它使用16位或32位二进制数来表示字符，可以表示世界上所有的字符UTF-8是一种常用的Unicode编码方式，它使用变长编码，可以兼容ASCII码字符编码在计算机中有着广泛的应用例如，文本文件、网页等都需要使用字符编码来表示文本内容在进行程序设计时，需要了解字符编码的规则，才能正确地处理字符串例如，需要注意不同字符编码之间的转换问题ASCII Unicode7位二进制数，表示128个字符16位或32位二进制数，表示所有字符定点数的加减运算定点数是一种常用的数的表示方法，它使用固定的位数来表示整数和小数部分定点数的加减运算是计算机中的基本运算定点数加法需要考虑进位，定点数减法需要考虑借位使用补码表示法，可以将减法运算转换为加法运算，简化了计算机的设计在进行定点数运算时，需要注意溢出问题定点数运算在计算机中有着广泛的应用例如，计算机中的算术逻辑单元（ALU）就是通过定点数运算来实现各种算术操作的在进行程序设计时，也需要了解定点数运算的规则，才能编写出高效的程序例如，可以使用移位运算来实现乘法和除法加法考虑进位减法考虑借位补码减法转为加法定点数的乘法运算定点数的乘法运算可以通过移位和加法来实现基本的乘法算法包括原码乘法和补码乘法原码乘法需要单独处理符号位，补码乘法可以直接进行运算Booth算法是一种高效的补码乘法算法，它可以减少加法运算的次数在进行定点数乘法运算时，需要注意溢出问题，以及结果的符号位定点数乘法运算在计算机中有着广泛的应用例如，图像处理、信号处理等领域都需要使用定点数乘法进行计算在进行程序设计时，也需要了解定点数乘法运算的规则，才能编写出高效的程序例如，可以使用查表法来实现乘法运算结果1注意符号位补码2直接运算原码3单独处理符号位定点数的乘法运算可以通过移位和加法来实现理解乘法算法是编写高效代码的基础定点数的除法运算定点数的除法运算可以通过移位和减法来实现基本的除法算法包括原码除法和补码除法原码除法需要单独处理符号位，补码除法可以直接进行运算在进行定点数除法运算时，需要注意除数为0的情况，以及结果的符号位和余数除法运算比乘法运算更加复杂，需要更多的硬件资源和时间定点数除法运算在计算机中有着广泛的应用例如，科学计算、财务计算等领域都需要使用定点数除法进行计算在进行程序设计时，也需要了解定点数除法运算的规则，才能编写出高效的程序例如，可以使用牛顿迭代法来实现除法运算结果1注意符号位和余数补码2直接运算原码3单独处理符号位定点数的除法运算可以通过移位和减法来实现理解除法算法是编写高效代码的基础浮点数的运算规则浮点数的运算规则比定点数更加复杂，需要考虑阶码和尾数的对齐、尾数的加减、结果的规格化等问题浮点数加减运算的步骤包括对阶、尾数加减、规格化和舍入浮点数乘除运算的步骤包括阶码加减、尾数乘除、规格化和舍入在进行浮点数运算时，需要注意精度问题和舍入误差浮点数运算在计算机中有着广泛的应用例如，科学计算、图形图像处理等领域都需要使用浮点数进行计算在进行程序设计时，需要了解浮点数运算的规则，才能编写出高效的程序例如，可以使用数值分析的方法来减少舍入误差对阶尾数加减规格化对齐阶码和尾数进行尾数的加减运算将结果规格化舍入进行舍入处理ALU的基本结构算术逻辑单元（ALU）是计算机中的核心部件，用于执行算术和逻辑运算ALU的基本结构包括加法器、移位器、逻辑运算器、多路选择器等加法器用于执行加法运算，移位器用于执行移位运算，逻辑运算器用于执行逻辑运算，多路选择器用于选择不同的运算结果ALU的设计需要考虑速度、功耗、面积等因素ALU的性能直接影响计算机的整体性能在设计ALU时，需要选择合适的电路结构和算法，以提高运算速度和效率例如，可以使用超前进位加法器来提高加法运算的速度，可以使用流水线技术来提高ALU的吞吐量加法器移位器逻辑运算器多路选择器执行加法运算执行移位运算执行逻辑运算选择不同的运算结果运算器的设计原理运算器的设计原理包括运算部件的选择、数据通路的设计、控制信号的生成等运算部件的选择需要根据具体的应用场景来确定，例如，对于需要进行大量浮点数运算的应用，可以选择高性能的浮点运算器数据通路的设计需要考虑数据的传输速度和效率，例如，可以使用多路复用器来实现数据的选择和传输控制信号的生成需要根据指令的功能来确定，例如，可以使用微程序控制器来生成控制信号运算器的设计是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素在设计运算器时，需要进行仿真和验证，以确保其功能的正确性和性能的高效性可以使用硬件描述语言（HDL）来进行运算器的设计和仿真运算部件选择数据通路设计12根据应用场景选择运算部件考虑数据的传输速度和效率控制信号生成3根据指令功能生成控制信号存储系统概述存储系统是计算机中用于存储程序和数据的部件存储系统的性能直接影响计算机的整体性能存储系统的基本指标包括容量、速度、成本等容量是指存储系统可以存储的数据量，速度是指存储系统读取和写入数据的速度，成本是指存储系统的价格在设计存储系统时，需要在容量、速度和成本之间进行权衡存储系统通常采用层次结构，包括高速缓存、主存储器、辅助存储器等高速缓存用于存储最常用的数据，以提高数据的访问速度主存储器用于存储正在运行的程序和数据，辅助存储器用于存储不常用的数据理解存储系统的层次结构，有助于我们更好地理解计算机是如何管理数据的指标描述容量存储系统可以存储的数据量速度存储系统读取和写入数据的速度成本存储系统的价格存储器的层次结构存储器层次结构是计算机系统中组织和管理存储器的一种方式，旨在以合理的成本提供快速和大容量的存储通常，存储器层次结构包括高速缓存（Cache）、主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Secondary Storage）三个主要层次高速缓存位于最顶层，速度最快但容量最小；主存储器是CPU可以直接访问的内存，速度较快且容量适中；辅助存储器位于最底层，速度最慢但容量最大，用于长期存储数据和程序存储器层次结构利用了程序访问的局部性原理，即程序在执行时，往往会集中访问一部分数据和指令通过将这部分常用的数据和指令存储在高速缓存中，可以大大提高程序的执行速度同时，由于高速缓存的成本较高，因此容量受到限制，而辅助存储器则可以提供廉价的大容量存储高速缓存速度最快，容量最小主存储器速度较快，容量适中辅助存储器速度最慢，容量最大RAM的工作原理随机存取存储器（RAM）是一种易失性存储器，即断电后数据会丢失RAM可以随机访问任何存储单元，访问速度快，因此被广泛用作主存储器RAM的工作原理基于电容的充放电效应每个存储单元由一个电容和一个晶体管组成当向存储单元写入数据时，晶体管导通，电容充电或放电，表示存储的数据是1或0当读取数据时，晶体管导通，电容的电量被读取出来，表示存储的数据是1或0RAM分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种类型SRAM使用触发器存储数据，速度快但成本高，DRAM使用电容存储数据，成本低但速度慢现代计算机通常使用DRAM作为主存储器，SRAM作为高速缓存电容晶体管存储数据控制充放电ROM的类型与应用只读存储器（ROM）是一种非易失性存储器，即断电后数据不会丢失ROM只能读取数据，不能写入数据，因此被广泛用于存储固定的程序和数据，例如BIOS、引导程序等ROM的类型包括掩模ROM（MROM）、可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦除可编程ROM（EEPROM）MROM在生产过程中写入数据，不能修改PROM可以通过编程器写入数据，但只能写入一次EPROM可以通过紫外线擦除数据，然后重新编程EEPROM可以通过电信号擦除和写入数据，可以多次擦除和写入现代计算机通常使用EEPROM存储BIOS和引导程序MROM PROM12掩模ROM，不能修改可编程ROM，只能写入一次EPROM EEPROM34可擦除可编程ROM，紫外线擦除电可擦除可编程ROM，电信号擦除高速缓存的基本概念高速缓存（Cache）是一种小容量、高速的存储器，位于CPU和主存储器之间，用于存储CPU最常用的数据和指令Cache的目的是提高CPU访问存储器的速度，从而提高计算机的整体性能Cache的工作原理基于程序访问的局部性原理，即程序在执行时，往往会集中访问一部分数据和指令通过将这部分常用的数据和指令存储在Cache中，可以大大减少CPU访问主存储器的次数Cache的性能指标包括命中率、命中时间和缺失惩罚命中率是指CPU访问Cache时，找到所需数据的概率命中时间是指CPU访问Cache时，找到所需数据所需的时间缺失惩罚是指CPU访问Cache时，没有找到所需数据，需要访问主存储器所需的时间提高Cache的命中率，可以减少CPU访问主存储器的次数，从而提高计算机的整体性能命中时间2找到所需数据所需的时间命中率1找到所需数据的概率缺失惩罚访问主存储器所需的时间3Cache映射方式Cache映射方式是指将主存储器中的数据块映射到Cache中的方式Cache映射方式包括直接映射、全相联映射和组相联映射三种直接映射是指每个主存储器块只能映射到Cache中的一个固定位置全相联映射是指每个主存储器块可以映射到Cache中的任何位置组相联映射是指将Cache分成若干组，每个主存储器块可以映射到Cache中的一个固定组中的任何位置不同的Cache映射方式各有优缺点直接映射实现简单，但冲突率高全相联映射冲突率低，但实现复杂，成本高组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案，实现相对简单，冲突率也相对较低现代计算机通常采用组相联映射作为Cache的映射方式直接映射全相联映射组相联映射实现简单，冲突率高冲突率低，实现复杂实现相对简单，冲突率相对较低Cache替换算法Cache替换算法是指当Cache已满时，选择哪个Cache块进行替换的算法常用的Cache替换算法包括随机替换算法（RAND）、先进先出算法（FIFO）、最近最少使用算法（LRU）和最近最不经常使用算法（LFU）随机替换算法随机选择一个Cache块进行替换先进先出算法选择最先进入Cache的块进行替换最近最少使用算法选择最近最少使用的块进行替换最近最不经常使用算法选择最近最不经常使用的块进行替换不同的Cache替换算法各有优缺点随机替换算法实现简单，但命中率低先进先出算法实现简单，但命中率也较低最近最少使用算法命中率高，但实现复杂，成本高最近最不经常使用算法命中率也较高，但实现也相对复杂现代计算机通常采用近似LRU算法作为Cache的替换算法RAND1随机替换算法FIFO2先进先出算法LRU3最近最少使用算法LFU4最近最不经常使用算法虚拟存储器原理虚拟存储器是一种将主存储器和辅助存储器结合起来，为应用程序提供一个比实际主存储器更大的地址空间的存储技术虚拟存储器的基本原理是将应用程序的地址空间划分为若干个大小相等的页面（Page），将主存储器划分为若干个大小相等的页框（Page Frame）应用程序运行时，只有一部分页面被加载到主存储器中，其余页面存储在辅助存储器中当应用程序访问一个不在主存储器中的页面时，会发生缺页中断（Page Fault），操作系统会将该页面从辅助存储器加载到主存储器中虚拟存储器的优点是可以为应用程序提供一个更大的地址空间，使得应用程序可以使用比实际主存储器更大的内存虚拟存储器还可以提高存储器的利用率，因为只有应用程序实际使用的页面才会被加载到主存储器中虚拟存储器还可以实现存储器的保护，因为每个应用程序都有自己的地址空间，不能访问其他应用程序的地址空间页框2主存储器的划分页面1应用程序的地址空间划分缺页中断访问不在主存储器的页面3页面置换算法页面置换算法是指当主存储器已满时，选择哪个页面进行替换的算法常用的页面置换算法包括最优页面置换算法（OPT）、先进先出算法（FIFO）、最近最少使用算法（LRU）和时钟算法（Clock）最优页面置换算法选择未来最长时间内不会被访问的页面进行替换，但实际上无法实现先进先出算法选择最先进入主存储器的页面进行替换最近最少使用算法选择最近最少使用的页面进行替换时钟算法是一种近似LRU算法，实现相对简单，性能也相对较好不同的页面置换算法各有优缺点最优页面置换算法性能最好，但无法实现先进先出算法实现简单，但性能较差最近最少使用算法性能较好，但实现复杂，成本高时钟算法是性能和实现的折中方案，被广泛应用于现代操作系统中OPT FIFOClock最优页面置换算法先进先出算法时钟算法LRU最近最少使用算法指令系统的基本概念指令系统是指计算机所能执行的所有指令的集合指令系统是计算机硬件和软件之间的接口指令系统设计的好坏直接影响计算机的性能和易用性指令系统的基本概念包括指令格式、指令类型、寻址方式等指令格式是指指令的结构，包括操作码和操作数指令类型是指指令的功能，例如算术指令、逻辑指令、控制指令等寻址方式是指操作数在存储器中的地址的表示方式指令系统设计需要考虑多个因素，包括指令的长度、指令的数量、指令的功能、寻址方式的种类等指令系统的设计需要满足以下要求完整性、有效性、兼容性、规整性完整性是指指令系统能够完成所有的基本操作有效性是指指令系统能够高效地执行各种程序兼容性是指指令系统能够兼容以前的指令系统规整性是指指令系统的设计风格一致指令格式1指令的结构指令类型2指令的功能寻址方式3操作数地址的表示指令格式设计指令格式是指指令的结构，包括操作码和操作数操作码用于指定指令的功能，操作数用于指定指令的操作对象指令格式的设计需要考虑指令的长度、操作数的数量、寻址方式的种类等常用的指令格式包括定长指令格式和变长指令格式定长指令格式是指所有指令的长度都相同变长指令格式是指不同指令的长度可以不同指令格式的设计需要满足以下要求有效性、兼容性、扩展性有效性是指指令格式能够高效地表示各种指令兼容性是指指令格式能够兼容以前的指令格式扩展性是指指令格式能够方便地扩展新的指令现代计算机通常采用变长指令格式，以提高指令的表示能力和灵活性指令格式描述定长指令格式所有指令长度相同变长指令格式不同指令长度可以不同RISC和CISC架构比较精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）是两种不同的计算机架构RISC架构采用精简的指令集，指令长度固定，寻址方式简单，指令执行速度快CISC架构采用复杂的指令集，指令长度不固定，寻址方式多样，指令功能强大RISC架构的优点是指令执行速度快，功耗低，易于优化CISC架构的优点是指令功能强大，程序代码密度高，易于编程RISC架构和CISC架构各有优缺点RISC架构适用于高性能、低功耗的应用，例如移动设备、嵌入式系统等CISC架构适用于通用计算应用，例如桌面计算机、服务器等现代计算机架构的发展趋势是RISC和CISC的融合，例如x86架构在保留CISC指令集的基础上，采用了RISC架构的微体系结构RISC精简指令集，指令长度固定CISC复杂指令集，指令长度不固定寻址方式详解寻址方式是指操作数在存储器中的地址的表示方式常用的寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址等立即寻址是指操作数直接包含在指令中直接寻址是指指令中包含操作数的地址间接寻址是指指令中包含操作数地址的地址寄存器寻址是指操作数存储在寄存器中寄存器间接寻址是指指令中包含寄存器的编号，寄存器中存储操作数的地址基址寻址是指操作数的地址是基址寄存器的内容加上偏移量变址寻址是指操作数的地址是变址寄存器的内容加上偏移量相对寻址是指操作数的地址是程序计数器的内容加上偏移量不同的寻址方式各有优缺点立即寻址速度快，但操作数的值有限直接寻址简单，但灵活性差间接寻址灵活性好，但速度慢寄存器寻址速度快，但寄存器的数量有限基址寻址和变址寻址可以方便地访问数组和结构体相对寻址可以方便地实现程序的重定位立即寻址直接寻址间接寻址寄存器寻址操作数直接包含在指令中指令中包含操作数的地址指令中包含操作数地址的地操作数存储在寄存器中址CPU的功能与结构中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行指令和进行运算CPU的功能包括指令控制、操作控制、时间控制和数据处理指令控制是指CPU从存储器中取出指令并进行译码操作控制是指CPU根据指令的功能发出控制信号时间控制是指CPU控制指令的执行时间和数据传输时间数据处理是指CPU进行算术和逻辑运算CPU的结构包括运算器、控制器和寄存器组运算器用于执行算术和逻辑运算控制器用于控制指令的执行寄存器组用于存储指令和数据CPU的性能直接影响计算机的整体性能提高CPU性能的方法包括提高时钟频率、增加Cache容量、采用流水线技术、采用多核技术等指令控制1取出指令并译码操作控制2发出控制信号时间控制3控制执行时间和数据传输时间数据处理4进行算术和逻辑运算控制器的功能控制器是CPU的重要组成部分，负责控制指令的执行控制器的功能包括取出指令、指令译码、执行指令、控制中断等取出指令是指控制器从存储器中取出指令指令译码是指控制器将指令的操作码翻译成控制信号执行指令是指控制器根据控制信号控制运算器完成指令的功能控制中断是指控制器处理来自外部设备的中断请求控制器的设计方法包括硬布线控制器和微程序控制器硬布线控制器使用逻辑电路实现控制功能，速度快，但灵活性差微程序控制器使用微程序实现控制功能，灵活性好，但速度慢现代CPU通常采用微程序控制器和硬布线控制器相结合的方式，以提高控制器的性能和灵活性控制中断1处理中断请求执行指令2控制运算器完成指令功能指令译码3翻译成控制信号取出指令4从存储器中取出指令硬布线控制器硬布线控制器使用逻辑电路实现控制功能硬布线控制器的优点是速度快，缺点是灵活性差，不易修改硬布线控制器的设计方法包括状态表法、时序逻辑法等状态表法是将控制器的功能描述成状态表，然后根据状态表设计逻辑电路时序逻辑法是使用时序逻辑电路实现控制功能硬布线控制器适用于控制逻辑简单的CPU由于硬布线控制器的灵活性差，不易修改，因此不适用于控制逻辑复杂的CPU现代CPU通常采用微程序控制器和硬布线控制器相结合的方式，以提高控制器的性能和灵活性⚡️inflexible速度快灵活性差使用逻辑电路实现不易修改微程序控制器微程序控制器使用微程序实现控制功能微程序是存储在控制存储器中的一段程序，用于描述指令的执行过程微程序控制器的优点是灵活性好，易于修改，缺点是速度慢微程序控制器的设计方法包括微指令格式设计、微程序设计等微指令格式设计是指设计微指令的结构，包括操作码和操作数微程序设计是指编写微程序，描述指令的执行过程微程序控制器适用于控制逻辑复杂的CPU由于微程序控制器的灵活性好，易于修改，因此适用于控制逻辑需要经常修改的CPU现代CPU通常采用微程序控制器和硬布线控制器相结合的方式，以提高控制器的性能和灵活性灵活性好1易于修改速度慢2使用微程序实现指令周期与状态周期指令周期是指CPU执行一条指令所需要的时间指令周期包括取指令周期、译码周期、执行周期、中断周期等取指令周期是指CPU从存储器中取出指令的时间译码周期是指CPU将指令的操作码翻译成控制信号的时间执行周期是指CPU根据控制信号控制运算器完成指令的功能的时间中断周期是指CPU处理来自外部设备的中断请求的时间状态周期是指CPU完成一个基本操作所需要的时间状态周期是指令周期的基本单位一个指令周期通常包含多个状态周期状态周期的长度通常是CPU的时钟周期缩短状态周期，可以提高CPU的执行速度取指令周期译码周期1从存储器中取出指令翻译成控制信号2中断周期4执行周期3处理中断请求完成指令功能指令流水线基本概念指令流水线是一种提高CPU执行指令效率的技术指令流水线将指令的执行过程分解为多个阶段，例如取指令、译码、执行、存储、写回等每个阶段由不同的硬件部件完成多条指令可以同时在不同的阶段执行，从而提高CPU的吞吐量指令流水线类似于工厂的生产线，可以同时生产多个产品指令流水线的优点是可以提高CPU的吞吐量，缺点是会引入流水线冲突，例如数据相关、控制相关、结构相关等解决流水线冲突的方法包括旁路技术、分支预测技术、延迟槽技术等指令流水线是现代CPU的重要组成部分，可以显著提高CPU的性能多阶段多部件并发指令执行过程分解为多每个阶段由不同的硬件多条指令同时执行个阶段部件完成五段式指令流水线五段式指令流水线是一种常用的指令流水线结构，包括取指令（IF）、译码（ID）、执行（EX）、存储（MEM）、写回（WB）五个阶段取指令阶段负责从存储器中取出指令译码阶段负责将指令的操作码翻译成控制信号执行阶段负责根据控制信号控制运算器完成指令的功能存储阶段负责将运算结果写入存储器写回阶段负责将运算结果写回寄存器五段式指令流水线结构简单，易于实现但是，五段式指令流水线也会引入流水线冲突解决五段式指令流水线冲突的方法包括旁路技术、分支预测技术、延迟槽技术等五段式指令流水线是学习指令流水线的基础IF取指令ID译码EX执行MEM存储WB写回流水线的数据相关数据相关是指指令之间存在数据依赖关系，导致流水线执行受阻数据相关包括读后写相关（RAW）、写后读相关（WAR）、写后写相关（WAW）读后写相关是指指令需要读取前一条指令写入的数据写后读相关是指指令需要写入的数据被前一条指令读取写后写相关是指指令需要写入的数据被前一条指令写入解决数据相关的方法包括旁路技术、暂停技术、指令调度技术旁路技术是指将运算结果直接传递给后续指令，而不需要写回寄存器暂停技术是指暂停后续指令的执行，直到数据相关消除指令调度技术是指调整指令的执行顺序，以减少数据相关解决1旁路，暂停，调度存在2数据依赖关系流水线的控制相关控制相关是指指令的执行顺序受到分支指令的影响，导致流水线执行受阻控制相关包括分支预测错误、分支目标地址计算延迟等分支预测错误是指预测的分支方向与实际的分支方向不一致分支目标地址计算延迟是指计算分支目标地址需要一定的时间解决控制相关的方法包括分支预测技术、延迟槽技术分支预测技术是指预测分支指令的执行方向延迟槽技术是指在分支指令后插入一条指令，无论分支是否发生，该指令都会被执行分支预测技术可以减少分支预测错误的次数，延迟槽技术可以隐藏分支目标地址计算延迟控制相关影响分支预测错误预测不一致分支目标地址计算延迟需要时间计算流水线的结构相关结构相关是指多条指令在同一时刻需要访问同一硬件资源，导致流水线执行受阻结构相关通常发生在存储器访问、寄存器访问等例如，取指令和存储数据需要同时访问存储器，导致结构相关解决结构相关的方法包括增加硬件资源、使用流水线互锁技术增加硬件资源是指增加存储器端口、增加寄存器端口等流水线互锁技术是指当发生结构相关时，暂停其中一条指令的执行，直到硬件资源可用+增加硬件资源例如，存储器和寄存器互锁流水线互锁暂停一条指令的执行总线的基本概念总线是计算机系统中连接各个部件的公共通道，用于传输数据、地址和控制信号总线可以分为内部总线和外部总线内部总线用于连接CPU、存储器、输入输出接口等内部部件外部总线用于连接外部设备，例如打印机、键盘、鼠标等总线的基本概念包括总线宽度、总线时钟频率、总线传输速率等总线宽度是指总线一次可以传输的数据位数总线时钟频率是指总线的工作频率总线传输速率是指总线单位时间内可以传输的数据量总线的性能直接影响计算机的整体性能提高总线性能的方法包括增加总线宽度、提高总线时钟频率、采用更高效的总线协议等内部总线外部总线连接内部部件连接外部设备总线的分类与性能指标总线可以根据不同的标准进行分类根据传输方式可以分为并行总线和串行总线并行总线一次可以传输多位数据，速度快，但成本高，距离短串行总线一次只能传输一位数据，速度慢，但成本低，距离长根据总线结构可以分为单总线、双总线、三总线单总线是指所有部件都连接到同一条总线上双总线是指将存储器总线和I/O总线分开三总线是指将CPU总线、存储器总线和I/O总线分开根据控制方式可以分为同步总线和异步总线同步总线使用统一的时钟信号进行控制异步总线使用握手信号进行控制总线的性能指标包括总线宽度、总线时钟频率、总线传输速率、总线带宽等总线带宽是指总线单位时间内可以传输的数据量总线带宽是衡量总线性能的重要指标并行总线1速度快，成本高串行总线2速度慢，成本低总线仲裁方式总线仲裁是指多个设备同时请求使用总线时，确定哪个设备获得总线使用权的机制常用的总线仲裁方式包括集中式仲裁和分布式仲裁集中式仲裁由一个центральный仲裁器进行仲裁分布式仲裁由各个设备самостоятельно进行仲裁集中式仲裁的优点是仲裁逻辑简单，仲裁效率高分布式仲裁的优点是系统可靠性高，扩展性好集中式仲裁包括链式查询方式、计数器定时查询方式、优先级判决方式分布式仲裁包括竞争方式、冲突检测方式总线仲裁的目的是保证总线资源的合理分配，防止总线冲突，提高总线利用率选择合适的总线仲裁方式需要根据具体的应用场景进行综合考虑集中式1分布式仲裁逻辑简单，仲裁效率高系统可靠性高，扩展性好2总线的通信方式总线的通信方式是指总线上各个设备之间进行数据传输的方式常用的总线通信方式包括同步通信、异步通信、半同步通信同步通信是指发送方和接收方使用统一的时钟信号进行数据传输异步通信是指发送方和接收方使用握手信号进行数据传输半同步通信是同步通信和异步通信的折中方案同步通信速度快，但可靠性差异步通信速度慢，但可靠性高半同步通信兼顾速度和可靠性总线的通信方式需要根据具体的应用场景进行选择对于高速数据传输的应用，可以选择同步通信对于可靠性要求高的应用，可以选择异步通信对于需要兼顾速度和可靠性的应用，可以选择半同步通信同步通信速度快，可靠性差异步通信速度慢，可靠性高中断系统的基本概念中断系统是指计算机系统中处理来自外部设备中断请求的机制中断是指CPU在执行程序的过程中，收到来自外部设备的请求，暂停当前程序的执行，转而处理外部设备的请求中断系统可以提高CPU的利用率，使得CPU可以同时处理多个任务中断系统的基本概念包括中断源、中断请求、中断响应、中断处理、中断返回等中断源是指发出中断请求的设备中断请求是指设备向CPU发出的请求中断响应是指CPU收到中断请求后，暂停当前程序的执行中断处理是指CPU执行中断服务程序，处理中断请求中断返回是指CPU执行完中断服务程序后，返回到被中断的程序继续执行中断系统是计算机系统中重要的组成部分，可以提高CPU的效率和响应速度理解中断系统的基本概念对于理解计算机系统的工作原理至关重要中断返回1返回到被中断的程序中断处理2执行中断服务程序中断响应3暂停当前程序中断请求4设备向CPU发出的请求中断源5发出中断请求的设备中断处理过程中断处理过程是指CPU处理中断请求的详细步骤中断处理过程包括中断请求、中断响应、保护现场、中断处理、恢复现场、中断返回等中断请求是指设备向CPU发出中断请求信号中断响应是指CPU检测到中断请求信号后，暂停当前程序的执行，并保存当前程序的断点保护现场是指将当前程序的寄存器内容、标志位等信息保存到堆栈中，以便中断处理完成后恢复中断处理是指CPU执行中断服务程序，处理中断请求恢复现场是指将堆栈中的寄存器内容、标志位等信息恢复到CPU中中断返回是指CPU执行中断返回指令，返回到被中断的程序继续执行中断处理过程是计算机系统中重要的组成部分，理解中断处理过程对于编写高效的中断服务程序至关重要中断服务程序应该尽可能短小精悍，避免长时间占用CPU资源中断请求中断响应保护现场中断处理设备发出中断请求暂停当前程序保存寄存器内容执行中断服务程序恢复现场中断返回恢复寄存器内容返回到被中断程序DMA传输原理直接存储器访问（DMA）是一种允许外部设备直接访问存储器的技术，而不需要CPU的参与DMA传输可以提高数据传输的速度，减轻CPU的负担DMA传输的基本原理是，外部设备向DMA控制器发出DMA请求，DMA控制器获得总线控制权后，控制外部设备与存储器之间进行数据传输数据传输完成后，DMA控制器向CPU发出DMA完成信号，CPU可以继续执行程序DMA传输通常用于高速数据传输的应用，例如磁盘驱动器、网卡等DMA传输可以显著提高数据传输的效率，降低CPU的开销DMA控制器需要进行地址映射、数据传输控制、错误检测等功能DMA外部设备直接访问存储器优点提高数据传输速度，减轻CPU负担应用磁盘驱动器，网卡I/O接口的基本功能输入输出（I/O）接口是计算机系统中连接CPU和外部设备的部件，负责实现CPU和外部设备之间的数据传输和控制I/O接口的基本功能包括地址译码、数据缓冲、设备选择、中断控制、DMA控制等地址译码是指将CPU发出的地址信号翻译成设备地址数据缓冲是指在CPU和外部设备之间进行数据传输时，对数据进行缓冲设备选择是指选择要进行通信的外部设备中断控制是指处理来自外部设备的中断请求DMA控制是指控制外部设备使用DMA方式进行数据传输I/O接口的设计需要考虑多个因素，包括数据传输速度、设备兼容性、成本等I/O接口的类型包括并行接口和串行接口并行接口一次可以传输多位数据，速度快，但成本高串行接口一次只能传输一位数据，速度慢，但成本低地址译码数据缓冲设备选择翻译成设备地址缓冲数据选择通信设备中断控制DMA控制处理中断请求控制DMA传输串行通信与并行通信串行通信和并行通信是两种不同的数据传输方式串行通信是指一位一位地传输数据，只需要一条数据线并行通信是指多位同时传输数据，需要多条数据线串行通信的优点是成本低，距离长并行通信的优点是速度快，但成本高，距离短串行通信常用的协议包括UART、SPI、I2C等并行通信常用的协议包括PCI、ISA等串行通信和并行通信的选择需要根据具体的应用场景进行考虑对于低速数据传输的应用，可以选择串行通信对于高速数据传输的应用，可以选择并行通信在现代计算机系统中，串行通信的应用越来越广泛，例如USB、SATA等串行通信1一位一位传输，成本低，距离长并行通信2多位同时传输，速度快，成本高，距离短输入输出设备概述输入输出设备是指计算机系统中用于与外部世界进行交互的设备，包括输入设备和输出设备输入设备用于向计算机输入数据，例如键盘、鼠标、扫描仪等输出设备用于将计算机的计算结果输出，例如显示器、打印机、音箱等I/O设备是计算机系统中重要的组成部分，可以实现人机交互、数据采集、数据存储等功能不同的I/O设备具有不同的特性和功能，需要使用不同的接口和驱动程序进行控制I/O设备的发展趋势是智能化、网络化、集成化智能化是指I/O设备具有一定的自主处理能力网络化是指I/O设备可以通过网络进行连接和控制集成化是指将多个I/O设备集成到一个设备中键盘鼠标12输入文本和命令控制屏幕光标显示器打印机34显示图像和文本打印文档和图片磁盘存储器工作原理磁盘存储器是一种常用的辅助存储器，用于长期存储数据和程序磁盘存储器的基本原理是利用磁性材料记录数据磁盘由多个盘片组成，每个盘片分为多个磁道，每个磁道又分为多个扇区数据以二进制形式存储在扇区中磁盘驱动器通过磁头读取和写入数据磁盘驱动器的工作过程包括寻道、旋转、读写寻道是指将磁头移动到指定的磁道旋转是指将指定的扇区旋转到磁头下方读写是指通过磁头读取或写入数据磁盘存储器的性能指标包括容量、速度、寻道时间、旋转延迟、数据传输速率等容量是指磁盘可以存储的数据量速度是指磁盘读取和写入数据的速度寻道时间是指磁头移动到指定磁道的时间旋转延迟是指指定的扇区旋转到磁头下方的时间数据传输速率是指磁盘单位时间内可以传输的数据量磁盘存储器的性能直接影响计算机的整体性能提高磁盘存储器性能的方法包括增加盘片数量、提高旋转速度、采用更高效的寻道算法等寻道旋转读写磁头移动到指定磁道扇区旋转到磁头下方磁头读取或写入数据总结计算机组成原理要点本课程系统地介绍了计算机组成原理的基本概念、基本原理和基本设计方法主要内容包括计算机系统的层次结构、冯·诺依曼模型、指令系统、存储系统、输入输出系统等通过本课程的学习，我们了解了计算机是如何运作的，掌握了计算机设计的基本方法，为后续的计算机体系结构、操作系统等课程打下了坚实的基础希望大家在今后的学习和工作中，能够运用所学知识，不断探索计算机科学的奥秘计算机组成原理是计算机科学的基础课程，对于理解计算机系统的工作原理至关重要掌握计算机组成原理的知识，可以帮助我们更好地设计和优化计算机系统，提高计算机的性能和效率希望大家能够继续深入学习计算机组成原理，为计算机科学的发展做出贡献计算机系统的层次结构冯·诺依曼模型指令系统123从应用软件到硬件的层次关系计算机的基本结构和工作方式计算机所能执行的所有指令的集合存储系统输入输出系统45存储程序和数据的部件计算机与外部世界交互的桥梁。