《计算机组成原理》课件

计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心基础课程，旨在深入探讨计算机硬件系统的构成原理和工作机制本课程将带领学生从底层硬件角度理解计算机系统，建立完整的计算机系统概念通过系统学习计算机各组成部件的结构、功能和相互关系，学生将掌握现代计算机系统的工作原理，为深入理解计算机系统架构和后续专业课程学习奠定坚实基础课程概述核心基础课程硬件构成探索计算机组成原理作为计算机科深入探索计算机硬件构成与工学核心基础课程，是理解计算作机制，揭示计算机内部运行机系统不可或缺的重要环节的奥秘整机概念建立建立整机概念，全面理解各部分协同工作方式和系统集成原理本课程将从硬件角度系统阐述计算机的组成结构，帮助学生深入理解计算机系统的本质通过理论学习与实践相结合，培养学生的系统思维能力和硬件分析能力课程目标掌握基本组成深入掌握计算机基本组成部件与工作原理，建立完整的硬件知识体系理解软硬关系深刻理解硬件实现与软件运行的密切关系，把握软硬件协同工作机制培养系统思维培养系统思维和硬件设计能力，提升分析和解决复杂工程问题的能力奠定学习基础为后续课程如计算机系统结构、编译原理等专业核心课程奠定坚实基础课程内容安排第一章计算机系统概论介绍计算机发展历史、分类、性能指标和基本组成结构第二章运算方法和运算器讲解数据表示、算术运算和ALU设计原理第三章存储系统探讨存储器层次结构、主存、Cache和虚拟存储技术第四章指令系统分析指令格式、寻址方式和指令集架构设计第五章中央处理器详述CPU结构、控制器设计和流水线技术第六章总线系统介绍总线分类、仲裁机制和操作定时第七章输入输出系统讲解I/O接口、控制方式和中断系统第八章并行组织探讨并行处理技术和多核系统架构第一章计算机系统概论发展历史与分类追溯计算机从电子管时代到现代集成电路的发展历程，了解不同类型计算机的特点和应用领域系统层次结构分析计算机系统的多层次架构，理解硬件、系统软件和应用软件之间的关系性能指标学习评价计算机性能的各种指标，掌握性能分析和比较的方法基本组成深入了解计算机系统的基本组成部件及其功能特点计算机发展历史第一代电子管计算机（）1946-1957以ENIAC为代表，使用电子管作为基本元件，体积庞大，功耗极高，可靠性差，主要用于科学计算第二代晶体管计算机（）1958-1964采用晶体管技术，体积显著缩小，可靠性大幅提升，出现了高级程序设计语言和操作系统第三代集成电路计算机（）1965-1971使用中小规模集成电路，性能进一步提升，计算机开始进入商业应用领域第四代大规模集成电路计算机（至今）1972微处理器的出现标志着个人计算机时代的到来，计算机技术快速发展并广泛应用第五代人工智能计算机（发展中）以人工智能和并行处理为特征，正在向智能化方向发展计算机系统特征电子器件基础以电子器件为物质基础，利用电子技术实现信息的存储、处理和传输自动化处理基于存储程序原理实现自动化处理，能够自动执行预先编制的程序数字化信息采用二进制编码表示和处理所有信息，包括数值、文字、图像和声音逻辑运算能力具备强大的算术逻辑运算能力，能够进行复杂的数学计算和逻辑判断高速工作能力具有极高的运算速度和数据处理能力，能够在极短时间内完成大量计算计算机系统的层次结构高级语言级程序设计语言层面操作系统级系统调用接口机器语言级指令系统层面微程序级微指令系统硬件层电子电路级别计算机系统采用层次化结构设计，每一层都为上层提供服务接口，同时调用下层的功能这种层次化设计使得复杂的计算机系统能够被有效地组织和管理，便于理解和维护计算机系统的基本组成控制器（）CU运算器（）ALU控制和协调计算机各部件的工作，解释和执负责执行各种算术运算和逻辑运算，是计算行指令，管理程序执行流程机进行数据处理的核心部件存储器（）Memory存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器，为系统提供信息存储空间输出设备（）Output输入设备（）Input将计算机处理结果转换为人们能够理解的形式，包括显示器、打印机等将外部信息转换为计算机能够识别的形式，包括键盘、鼠标、扫描仪等冯诺依曼结构·存储程序原理程序数据同等程序和数据都存储在同一个存储器中，这是现代计算机的程序指令和数据在存储器中的地位相同，都用二进制编码基本工作原理表示二进制编码按地址访问所有信息都采用二进制编码表示，简化了硬件设计和数据存储器按地址进行访问，每个存储单元都有唯一的地址标处理识顺序执行五大部件程序按顺序执行，除非遇到转移指令改变执行流程由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成现代计算机系统组成CPU（中央处理器）内存系统（主存储器）系统总线与I/O现代计算机的核心，集成了运算器和控为CPU提供高速数据访问，采用DRAM连接各个部件的数据通路，包括高速总制器功能，负责指令执行和数据处理技术实现现代内存系统支持多通道访线和外设接口现代系统采用点对点连采用超大规模集成电路技术，集成数十问，显著提升数据传输带宽和系统性接和串行总线技术，提供更高的传输效亿个晶体管能率•多核心并行处理•DDR技术发展•PCIe高速总线•超标量流水线•多级Cache层次•USB通用接口•分支预测技术•内存控制器集成•网络接口集成计算机性能指标

3.2GHz主频CPU时钟频率，决定处理器的基本工作速度

1.5CPI每条指令平均时钟周期数，反映指令执行效率2400MIPS每秒执行百万条指令数，衡量处理器计算能力

1.2TFLOPS每秒浮点运算次数，评价科学计算性能的重要指标计算机性能评价需要综合考虑多个指标主频反映了处理器的工作速度，但现代处理器更注重每时钟周期的执行效率MIPS和FLOPS分别从整数和浮点运算角度衡量计算能力，而吞吐量则从系统整体角度评价处理能力第二章运算方法和运算器数据表示二进制编码系统数值运算定点与浮点运算设计ALU运算器硬件实现优化技术高性能运算方法运算方法和运算器是计算机进行数值处理的基础本章将深入探讨计算机内部数据的表示方法，各种算术运算的实现原理，以及现代ALU的设计技术通过学习这些内容，学生将理解计算机如何在硬件层面实现复杂的数学运算计算机中数据的表示进制转换原理有符号数表示掌握二进制、八进制、十进制、十六进学习原码、反码、补码三种有符号数表制之间的相互转换方法和原理示方法及其特点和应用浮点数标准定点数格式深入学习IEEE754浮点数表示标准，理解定点小数和定点整数的表示格式，包括单精度和双精度格式掌握小数点位置的约定二进制编码系统编码类型应用领域编码长度字符数量8421BCD码数字显示4位10个数字ASCII码英文字符7位128个字符Unicode国际字符16/32位超过100万GB2312简体中文16位7445个字符UTF-8通用编码变长全部Unicode二进制编码是计算机处理信息的基础不同的编码方式适用于不同的应用场景，从简单的BCD码到复杂的Unicode编码，每种编码都有其特定的优势和应用领域定点数运算定点加减法基于补码的加减运算，统一的运算规则定点乘法原码乘法和补码乘法的实现方法定点除法恢复余数法和不恢复余数法溢出检测运算结果溢出的检测和处理机制定点数运算是计算机算术运算的基础通过统一使用补码表示，可以将减法转换为加法运算，简化了硬件设计乘除法运算虽然复杂，但通过合适的算法可以高效实现浮点数表示与运算IEEE754标准规格化表示国际标准化的浮点数表示格式，包括符号位、指数位和尾数位的标准的浮点数表示形式，尾数的最高位始终为1，通过指数调整实定义，确保不同计算机系统间的兼容性现不同数值范围的表示特殊值处理精度控制包括正负零、正负无穷大、非数值NaN等特殊情况的表示和处浮点数的精度限制和误差控制，舍入策略对计算结果的影响分析理方法浮点数运算对阶操作将两个操作数的指数调整到相同值，为尾数运算做准备尾数运算对对阶后的尾数进行加减或乘除运算规格化将运算结果调整为标准的规格化形式舍入处理根据舍入策略处理超出精度范围的数位浮点数运算比定点数运算复杂得多，需要处理指数和尾数两个部分现代处理器采用专门的浮点运算单元FPU来实现高效的浮点运算，支持流水线和并行处理技术算术逻辑单元（）ALU基本结构加法器设计状态标志ALU由算术运算部件和逻辑运算部件组加法器是ALU的核心部件，从简单的半ALU运算过程中产生的各种状态信息，成，通过控制信号选择不同的运算功加器到复杂的超前进位加法器，不断优如进位、溢出、零标志等，为程序控制能现代ALU集成了多种运算功能化运算速度和硬件成本提供重要依据•多功能运算器•串行进位加法器•零标志位Z•状态标志寄存器•并行进位加法器•进位标志位C•运算结果输出•选择进位加法器•溢出标志位V加法器设计超前进位加法器最高性能的并行加法器选择进位加法器2平衡速度和复杂度的设计串行进位加法器多个全加器级联组成全加器电路4处理三个输入的基本单元半加器电路最基本的二进制加法电路加法器设计体现了计算机硬件设计中速度与成本的权衡从最简单的半加器开始，通过组合构成复杂的多位加法器超前进位技术通过预测进位信号显著提升了运算速度第三章存储系统存储器层次结构从寄存器到外存的多级存储体系，平衡速度、容量和成本的关系主存储器技术SRAM和DRAM技术原理，主存与CPU的接口设计和访问控制机制高速缓存系统Cache工作原理、映射方式、替换算法和性能优化技术虚拟存储技术虚拟地址空间管理、页面置换算法和地址变换机构辅助存储器磁盘、光盘、固态存储等外存技术和RAID存储阵列存储器层次结构寄存器1CPU内部最快速的存储器，容量最小但速度最快高速缓存介于CPU和主存间的高速存储器，提升访问效率主存储器系统的主要工作存储空间，存储当前运行的程序和数据辅助存储器大容量长期存储设备，保存系统和用户数据存储金字塔模型体现了计算机存储系统的基本设计原理越靠近CPU的存储器速度越快但容量越小，成本也越高通过多级存储结构，系统能够在保证性能的同时控制成本局部性原理是这种层次结构有效工作的理论基础存储器性能指标容量速度位价带宽存储器能够保存的信息量，通访问时间和周期时间，决定数每位存储容量的成本，影响存单位时间内传输的数据量，衡常以字节为单位衡量存储空间据读写的快慢程度储系统的经济性选择量数据传输能力大小访问方式顺序访问、随机访问等不同的数据读取方式评价存储器性能需要综合考虑多个方面容量决定了能存储多少数据，速度影响系统响应时间，位价关系到成本效益，带宽影响数据传输效率不同应用场景对这些指标的要求不同主存储器SRAM技术DRAM技术主存组织静态随机存取存储器，使用触发器存储动态随机存取存储器，使用电容存储数现代主存采用模块化设计，支持多通道数据，访问速度快但成本高，主要用于据，需要定期刷新，容量大成本低，是访问和错误检测纠正，提供高可靠性和高速缓存主存的主要技术高性能•无需刷新操作•需要定期刷新•双通道技术•访问速度快•集成密度高•ECC错误校正•功耗相对较低•成本相对较低•预取技术•集成密度低•功耗较高•突发传输模式高速缓存（）Cache映射方式替换算法直接映射、全相联映射、组相联映射三LRU、FIFO、随机替换等策略，决定种方式，平衡硬件复杂度和命中率缓存块的更新方式性能分析写策略命中率、缺失代价、平均访问时间等关写直达和写回两种方式，影响数据一致键性能指标性和性能表现Cache利用程序的局部性原理，将经常访问的数据保存在高速存储器中，显著提升系统性能现代处理器普遍采用多级Cache结构，L

1、L

2、L3缓存形成层次化的存储体系性能分析Cache95%典型命中率现代处理器L1缓存的平均命中率水平10ns缺失代价Cache缺失时访问主存的额外时间开销3缓存级数现代高性能处理器的典型缓存层次数量64MBL3缓存容量高端处理器L3缓存的典型容量大小Cache性能直接影响整个系统的运行效率高命中率可以显著减少内存访问时间，而多级Cache结构通过逐级过滤，既保证了速度又控制了成本Cache一致性在多核系统中尤为重要，需要专门的协议来维护虚拟存储器基本概念虚拟存储器为每个进程提供独立的地址空间，实现地址空间与物理内存的分离，支持多道程序设计页式管理将虚拟地址空间和物理内存都分成固定大小的页面，通过页表实现地址映射和内存管理段式管理按照程序的逻辑结构划分段，每个段具有独立的地址空间，便于程序的模块化设计地址变换通过TLB（快表）加速地址变换过程，减少页表访问的时间开销，提升系统性能辅助存储器存储类型容量范围访问速度主要特点机械硬盘500GB-20TB100-200MB/s成本低，容量大固态硬盘120GB-8TB500-7000MB/s速度快，无噪音光盘存储700MB-128GB1-16倍速可移植，长期保存磁带存储1TB-400TB顺序访问超大容量，归档用闪存设备1GB-2TB10-500MB/s便携性好，即插即用辅助存储器提供大容量的数据存储能力，不同技术各有优势RAID技术通过多个存储设备组成阵列，提供更高的性能、容量和可靠性第四章指令系统指令格式设计操作码与地址码的组织方式，影响指令的表达能力和硬件实现复杂度寻址方式多种寻址方式提供灵活的操作数访问方法，平衡编程便利性和执行效率指令集架构定义处理器支持的指令类型和功能，决定软件与硬件的接口规范与RISC CISC两种不同的指令集设计哲学，影响处理器的性能特征和应用领域指令格式变长指令格式灵活的指令长度设计定长指令格式固定长度简化硬件设计三地址指令两个源操作数和一个目标地址二地址指令一个源操作数和一个目标地址一地址指令单个操作数地址字段指令格式设计需要在表达能力和硬件复杂度之间找到平衡操作码字段定义指令的功能，地址码字段指定操作数的位置不同的地址数量影响指令的表达能力和程序的紧凑性寻址方式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，访指令中给出操作数的内存地指令中给出存放操作数地址的操作数存放在寄存器中，访问问速度最快但操作数大小受限址，简单直接但地址空间受限地址，扩大寻址范围但增加访速度快且节省指令空间存次数变址寻址基址寻址相对寻址基址加变址寄存器内容形成有基址寄存器内容加偏移量，支程序计数器加偏移量，主要用效地址，便于数组操作持程序的重定位于分支跳转指令指令系统的发展设计目标性能要求发展趋势指令系统设计追求完备性、有效性、规现代指令系统需要平衡多方面的性能需指令系统正向着更加专用化和智能化的整性和兼容性的统一完备性确保能够求，包括指令执行速度、代码密度、硬方向发展，包括向量指令、并行处理指表达各种计算需求，有效性保证高效的件复杂度和功耗控制等关键指标令和人工智能加速指令等新技术程序执行•高执行效率•SIMD向量指令•功能完备性•低硬件成本•多核并行支持•执行高效性•节能省电•AI专用指令•结构规整性•易于编译优化•安全增强指令•向后兼容性常见指令集架构架构x86Intel和AMD主导的CISC架构，广泛应用于个人计算机和服务器市场，具有丰富的指令集和强大的向后兼容性架构ARM低功耗RISC架构，在移动设备和嵌入式系统中占主导地位，近年来也进入服务器和个人计算机市场架构RISC-V开源的RISC指令集架构，模块化设计允许定制化扩展，在学术研究和新兴应用领域快速发展架构MIPS经典的RISC架构，结构简洁规整，广泛用于教学和嵌入式应用，为RISC设计理念的典型代表第五章中央处理器基本结构CPU运算器、控制器、寄存器组等核心组件的组织和功能分工控制器设计硬布线控制器和微程序控制器两种实现方法的对比分析数据通路CPU内部数据传输路径的设计，影响指令执行效率流水线技术通过指令并行执行显著提升处理器性能的关键技术高性能技术超标量、超流水、分支预测等现代处理器性能优化技术的基本结构CPU控制器运算器解释指令、产生控制信号、协调各部件工包括算术逻辑单元ALU和各种功能单作，是CPU的指挥中心元，负责执行算术和逻辑运算操作1寄存器组3CPU内部的高速存储器，包括通用寄存器、专用寄存器和状态寄存器时钟系统内部总线为CPU提供统一的时序信号，同步各部件的工作节拍连接CPU各部件的数据通路，包括数据总线、地址总线和控制总线控制器设计方法硬布线控制器微程序控制器混合控制方式使用组合逻辑电路直接产生控制信号，将控制信号编码为微程序存储在控制存结合两种方式的优点，常用指令采用硬响应速度快但设计复杂，修改困难适储器中，灵活性好易于修改，但执行速布线控制，复杂指令采用微程序控制，用于简单指令集和高性能要求的场合度相对较慢平衡性能和灵活性•执行速度快•设计灵活•性能优化•硬件开销大•易于修改•设计平衡•设计复杂•规整性好•实现复杂•不易修改•速度相对慢•成本较高微程序控制技术微程序与微指令微程序由多条微指令组成，每条微指令控制一个CPU周期的操作微指令格式包括操作控制字段和顺序控制字段，定义微操作和下一条微指令地址3控制存储器存放微程序的专用存储器，通常使用ROM或快速RAM实现微地址形成通过指令操作码、条件码等信息确定微程序的入口地址微程序控制技术将复杂的控制逻辑简化为微程序的执行过程每个机器指令对应一段微程序，微程序的执行实现了机器指令的功能这种方法使得控制器设计更加规整和灵活数据通路设计单总线结构多总线结构专用数据通路所有功能部件共享一条内部总线，结构采用多条专用总线连接不同功能部件，为特定操作设计专用的数据传输路径，简单但存在总线冲突问题，限制了并行减少总线冲突，提高数据传输的并行度进一步提升关键操作的执行效率，常见操作的能力和整体性能于高性能处理器•结构简单•并行度高•针对性强•硬件成本低•性能好•效率高•存在总线冲突•硬件复杂•设计复杂•性能受限•成本较高•灵活性差。