《计算机原理》课件

《计算机原理》课程导论课程目标与内容概述学习目标课程内容本课程旨在帮助你深入理解计算机系统的基本原理，掌握计算机硬件和软件的结构与功能，并培养独立解决计算机系统相关问题的能力计算机系统的层次结构应用层1用户直接交互的软件，如办公软件、游戏等系统软件层2管理计算机资源，包括操作系统、数据库管理系统等硬件层3信息表示与编码数据类型进制转换计算机中的数据类型包括整数、计算机内部使用二进制进行运实数、字符等，不同的数据类型算，而人类习惯使用十进制，因需要采用不同的编码方式进行存此需要进行进制转换，例如将十储和处理进制数转换为二进制数编码方式数制转换二进制、十进制、十六进制二进制十进制十六进制以为基数，只有和两种数字，每一位以为基数，使用十个数字，每一位201100-9代表的幂次方代表的幂次方210定点数与浮点数定点数浮点数小数点位置固定，适用于整数和有限小数的表示字符编码、ASCII UnicodeASCII1美国信息交换标准代码，使用位二进制码表示个字符，7128主要用于英语字符的编码Unicode2数据校验奇偶校验、校CRC验奇偶校验在数据中添加一个校验位，使数据位和校验位之和为奇数或偶数，用于检测单个位错误校验CRC运算方法加法、减法、乘法、除法加法使用二进制加法运算，并考虑进位减法使用补码运算，将减法转换为加法进行运算乘法使用移位和加法相结合的方法实现除法算术逻辑单元（）的组成与功能ALU组成功能由加法器、减法器、乘法器、除法器、逻辑运算器等组成ALU加法器的设计与实现全加器2实现一位二进制数的加法运算，考虑来自上一位的进位半加器1实现一位二进制数的加法运算，产生和位和进位位多位加法器通过级联多个全加器实现多位二进制数的加法运算乘法器的设计与实现123移位相加算法并行乘法器Booth通过移位和加法运算实现乘法，适用于较针对负数和多个零的乘法优化，提高运算小的数效率存储器的基本概念存储单元存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位存储地址每个存储单元都有唯一的地址，方便访问数据CPU存储容量存储器可以存储数据的总量，以字节为单位存储速度存储器的分类与特点主存储器辅存储器高速缓存直接访问的存储器，容量相对较容量较大，速度较慢，价格较低，主要CPU小，速度较快，价格较贵，主要用于存用于长期保存数据，如硬盘、光盘等放当前运行的程序和数据主存储器、DRAM SRAM1DRAM动态随机存取存储器，数据需要定期刷新，容量大，速度较慢，成本较低SRAM高速缓存（）的工作原Cache理访问数据CPU首先访问高速缓存，如果命中，则直接读取数据CPU高速缓存未命中如果高速缓存未命中，则需要访问主存储器，并将数据复制到高速缓存高速缓存命中率衡量高速缓存性能的关键指标，表示访问高速缓存时命中的比例高速缓存的替换算法FIFO1先进先出算法，最早进入高速缓存的数据最先被替换LRU2最近最少使用算法，最长时间未被访问的数据最先被替换OPT3最佳替换算法，根据未来的访问情况进行替换，理论上最优，但在实际中无法实现虚拟存储器的概念虚拟地址访问数据的地址，逻辑地址CPU物理地址主存储器中数据的实际地址，物理地址页面将虚拟地址空间和物理地址空间划分为大小相同的页面页表用于建立虚拟地址和物理地址之间的映射关系页面置换算法、、FIFO LRUOPTFIFO先进先出算法，最早进入内存的页面最先被替换LRU最近最少使用算法，最长时间未被访问的页面最先被替换OPT最佳替换算法，根据未来的访问情况进行替换，理论上最优，但在实际中无法实现输入输出系统的基本概念/设备接口1I/O2I/O连接到计算机系统的外部设连接设备和计算机系统之I/O备，用于输入和输出数据间的桥梁，负责数据传输和控制控制3I/O由或专门的控制器负责，管理设备的运行和数据传输CPU I/O I/O设备的分类与特点I/O输入设备输出设备存储设备用于将数据输入到计算机系统，如键用于将计算机系统中的数据输出到外用于存储数据，如硬盘、光盘等，既可盘、鼠标、扫描仪等部，如显示器、打印机等以输入数据也可以输出数据接口的功能与组成I/O数据缓冲控制信号1暂时存储数据，方便不同速度的设备之控制设备的运行状态，例如启动、停I/O2间进行数据传输止、选择等数据传输状态信号4通过接口进行数据传输，例如串行传3反映I/O设备的状态，例如忙闲状态、错输、并行传输误状态等中断机制中断请求、中断响应、中断处理中断处理中断响应执行中断处理程序，处理设备的CPU I/O中断请求CPU接收到中断请求信号后，暂停当前程请求，并将控制权返回给原程序I/O设备向CPU发送中断请求信号，通知序执行，并响应中断需要处理事件CPU（直接存储器访问）的工DMA作原理控制器DMA负责直接控制数据在主存储器和设备之间的传输I/O数据传输控制器直接访问主存储器，无需干预，提高数据传DMA CPU输效率中断通知数据传输完成后，控制器向发送中断信号，通知传DMA CPU输完成总线的概念与分类系统总线连接计算机系统各个部件之间的通道，负责数据传输、地址传输和控制信号传输地址总线用于传送访问存储器或设备的地址信息CPU I/O数据总线用于传输和存储器或设备之间的数据信息CPU I/O控制总线用于传输和存储器或设备之间的控制信号，例如读写控制信号CPU I/O总线的结构与控制总线结构总线控制常用的总线结构包括单总线结构、多总线结构、层次总线结构总线控制包括总线仲裁、总线时序、总线协议等，保证各个部件等之间协调工作的组成与功能CPU算术逻辑单元（）ALU1执行算术运算、逻辑运算等操作控制单元2控制整个计算机系统的运行，解释指令并发出控制信号寄存器组3高速缓存，用于存放正在处理的数据和指令CPU指令系统的基本概念指令指令集指令格式123可以执行的命令，是计算机程所能执行的所有指令的集合，指令的结构，包括操作码和操作CPU CPU序的基本单位是的重要特性数CPU指令的格式与寻址方式指令格式寻址方式常用的指令格式包括三地址指令、二地址指令、一地址指令、零指令中获取操作数的方法，包括立即寻址、直接寻址、间接寻地址指令等址、寄存器寻址等指令的类型数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令数据传输指令1将数据从一个地方移动到另一个地方，例如MOV指令算术运算指令2执行算术运算，例如加、减、乘、除等指令逻辑运算指令3执行逻辑运算，例如与、或、非等指令控制转移指令4改变程序执行顺序，例如跳转指令、条件跳转指令等的控制方式硬布线控CPU制、微程序控制硬布线控制使用逻辑电路直接实现指令控制，速度快，但灵活性差微程序控制使用微程序存储指令控制信息，灵活，但速度较慢微程序控制器的组成与工作原理控制存储器微程序计数器存储微程序，记录指令执行步指向当前正在执行的微程序指骤令微指令译码器将微指令译码成控制信号，控制各部件工作CPU指令周期取指令、分析指令、执行指令分析指令2分析指令的操作码和操作数，确定CPU执行的操作取指令1从内存中读取指令，放入指令寄CPU存器执行指令根据指令执行相应的操作，例如算CPU3术运算、数据传输等流水线技术的概念与原理流水线技术工作原理将指令周期划分为多个阶段，每个阶段完成一个任务，并行处理多个指令在流水线中同时进行，提高的利用率，加快程序CPU多个指令执行速度流水线冲突与解决方法数据冲突控制冲突12多个指令需要访问相同的数多个指令的执行顺序受到影据，导致冲突，可以通过数据响，可以通过条件执行、分支转发、延迟执行等方法解决预测等方法解决结构冲突3多个指令需要访问同一个硬件资源，导致冲突，可以通过增加硬件资源、时间片分配等方法解决多处理器系统的概念多处理器并行处理拥有多个的计算机系统，可将任务分解成多个子任务，由多CPU以同时执行多个任务，提高系统个同时执行，加快运算速CPU性能度并行编程编写程序以利用多处理器系统，提高程序执行效率多核处理器的架构对称多处理器（）SMP1多个共享同一个内存和外设，通过操作系统调度，提高CPU系统吞吐率非对称多处理器（）ASMP2多个具有不同的功能，例如主和辅助，通过主CPU CPU CPU控制辅助CPU CPU多核处理器3多个集成在同一个芯片上，共享同一个缓存，提高系统CPU性能和效率并行处理与分布式处理并行处理将任务分解到多个处理器上同时执行，适用于计算密集型任务分布式处理将任务分解到多个计算机节点上执行，适用于数据密集型任务计算机系统的性能评价123吞吐率响应时间利用率CPU单位时间内系统完成的任务数量，反映系系统响应一个请求所花费的时间，反映系工作时间占总时间的比例，反映CPUCPU统处理能力统处理速度的利用效率计算机系统的可靠性可靠性可靠性技术衡量系统在规定的时间内正常运行的概率，是系统的重要指标包括容错技术、冗余技术、备份技术等，提高系统可靠性软件与硬件的关系硬件基础软件需要运行在硬件平台上，硬件提供软件运行的物理环境软件控制软件控制硬件的运行，例如操作系统控制、内存等硬件CPU互相依存软件和硬件相互依存，硬件为软件提供基础，软件驱动硬件工作操作系统的作用与功能资源管理用户接口12管理、内存、硬盘等计算机资源，保证系统高效运提供用户界面，方便用户操作计算机CPU行文件系统进程管理34管理文件和目录，方便用户存储和访问数据管理程序的执行，保证系统稳定运行汇编语言程序设计汇编语言面向机器的低级语言，使用助记符表示机器指令汇编器将汇编语言代码翻译成机器指令优点效率高，可以控制硬件细节缺点代码难懂，可移植性差语言程序设计基础C语言基础知识C一种高级语言，语法简洁，功能强大，广泛应用于系统软件开包括数据类型、运算符、控制语句、函数等，是学习语言的基C发础计算机网络的基本概念网络拓扑结构1网络中各个节点之间连接关系，例如星型、环型、总线型网络协议2网络中数据传输和通信的规则，例如协议TCP/IP网络设备3用于网络通信的设备，例如路由器、交换机、网卡等协议栈TCP/IP应用层1提供用户服务，例如、等HTTP FTP传输层2提供可靠的数据传输，例如、等TCP UDP网络层3负责数据路由和转发，例如协议IP链路层4负责数据在物理介质上的传输，例如以太网协议计算机安全概述信息安全系统安全12保护计算机系统中的信息不被保证计算机系统安全可靠地运窃取、篡改、破坏等行，防止系统故障、攻击等网络安全3保护网络安全，防止网络攻击、信息泄露等病毒与恶意软件病毒一种能够自我复制的恶意程序，可以传播到其他计算机系统，造成危害恶意软件包括病毒、蠕虫、木马等，能够窃取信息、破坏系统、控制系统等防护措施安装杀毒软件，定期更新病毒库，提高安全意识防火墙技术防火墙工作原理设置在网络之间或计算机之间的防火墙根据预设的规则，检查进一道屏障，用于阻止来自外部网出网络的数据包，阻止恶意数据络的入侵包进入类型包括硬件防火墙、软件防火墙等，根据需要选择合适的防火墙数据加密技术数据加密加密算法密钥将数据转换成难以理解的形式，防止未常见的加密算法包括对称加密算法、非加密和解密数据的秘密信息，需要严格经授权的人员访问和理解对称加密算法等保密云计算与大数据云计算将计算资源作为服务提供给用户，例如存储、计算、网络等资源大数据指无法用传统数据库系统存储和处理的海量数据，需要特殊的技术进行处理应用云计算和大数据技术在互联网、金融、医疗等领域应用广泛人工智能与计算机原理人工智能1使计算机具有类似人类的智能，例如学习、推理、决策等能力机器学习2让计算机从数据中学习规律，提高自身的智能水平深度学习3一种强大的机器学习技术，模拟人类大脑神经网络，解决复杂问题量子计算初步量子计算量子比特12利用量子力学原理进行计算，量子计算的基本单位，可以同具有更高的计算能力和速度时处于和两种状态01应用3量子计算在药物研发、材料科学、密码学等领域具有巨大潜力未来计算机的发展趋势量子计算人工智能物联网量子计算技术将得到突破，解决传统人工智能技术将更加智能化，应用到万物互联的时代，计算机将连接到各计算机无法解决的难题更多领域，改变人类的生活种设备，形成智慧网络课程复习重点知识回顾计算机系统层次结构存储器系统中央处理器输入输出系统/了解计算机系统的各个层掌握不同类型的存储器，以深入理解的组成、工作了解设备、接口、中CPU I/O I/O次，以及它们之间的关系及它们的优缺点和应用场原理、指令系统等断机制、等相关知识DMA景考试范围与注意事项12考试范围考试形式涵盖课程讲义所有内容，重点关注课闭卷考试，可以使用公式手册堂重点内容3注意事项提前预习复习，认真答题，保持良好的考试心态课程答疑与互动助教答疑网络论坛课后可以向助教老师提问，解决学习中遇到的问题加入课程论坛，与其他同学交流学习经验，共同进步实践环节计算机组成原理实验实验要求实验内容认真完成实验，记录实验结果，撰写实验实验目的设计和搭建简单的计算机系统，例如存储报告，并进行总结分析通过实验验证计算机组成原理的理论知器、、输入输出等模块CPU/识，加深对计算机系统的理解实验报告讲解与分析报告内容讲解分析实验报告应包含实验目的、实验过程、实验结果、分析总结等内课上进行实验报告讲解，分析实验结果，并分享学习心得容课程结束感谢您的参与感谢您参与本课程的学习！希望通过这门课程的学习，您对计算机系统的认识和理解更加深入，并在未来学习和工作中有所收获。