《计算机组成原理全程图解》课件

计算机组成原理全程图解本课程采用图解方式深入讲解计算机组成原理的核心概念课件结构参考哈尔滨工业大学和王道考研等主流教学体系，将抽象的硬件概念通过直观的图示和实例展现出来通过系统学习，学生将掌握计算机硬件系统的工作原理和设计方法课程导学1理论与实践结合2循序渐进学习法计算机组成原理不仅是理论课从基础的数制转换开始，逐步程，更需要通过实验和实践来深入到复杂的设计每个CPU加深理解理论学习帮助建立概念都建立在前面知识的基础系统性认知，实践操作验证理上，形成完整的知识链条论知识的正确性图解记忆方法计算机系统概述1第一代计算机年，使用电子管作为基本器件体积庞大，功耗很高，运1940-1956算速度较慢，主要用于科学计算2第二代计算机年，采用晶体管技术体积缩小，可靠性提高，开始出现1956-1963高级编程语言和操作系统概念3第三代计算机年，集成电路时代性能大幅提升，成本降低，计算机开1964-1971始普及到商业和教育领域4第四代计算机年至今，大规模集成电路和微处理器时代个人计算机诞生，计1971算机进入千家万户计算机基本结构模型冯诺依曼结构特点五大基本组成部分·程序和数据存储在同一个存储器中，指令和数据具有同等地位运算器负责算术和逻辑运算，控制器协调各部件工作，存储器保计算机按照程序中指令的顺序执行，这种存储程序的概念是现代存程序和数据，输入设备接收外部信息，输出设备展示处理结计算机的基础果•存储程序概念•运算器（ALU）•程序控制执行•控制器（CU）•指令数据同等地位•存储器（Memory）•输入输出设备（I/O）主要部件功能运算器控制器执行算术运算和逻辑运算协调各部件工作时序•加法器、乘法器•指令译码•逻辑门电路•控制信号生成•状态寄存器•程序计数器输入输出存储器与外部环境交换信息保存程序和数据信息•键盘鼠标输入•主存储器•显示器输出•高速缓存•网络通信接口•寄存器组数据的表示二进制系统八进制表示计算机内部使用二进制表示所有信息，八进制是二进制的简化表示形式，每3因为电子器件只有开关两种状态二进位二进制数对应位八进制数在某些1制运算规则简单，易于硬件实现，是计编程和系统管理场景中仍有应用算机数据表示的基础数字•0-7•只有0和1两个数字•简化二进制表示•逢二进一•权值为8的幂次•便于电路实现十六进制表示十六进制广泛用于计算机领域，每位二进制数对应位十六进制数内存地址、颜色41代码等都常用十六进制表示•数字0-9，字母A-F•简洁表示大数•程序调试常用定点数与浮点数定点数表示小数点位置固定不变的数值表示方法通常分为定点整数和定点小数两种形式，适合表示范围有限的精确数值浮点数结构标准定义了浮点数格式，包含符号位、指数位和尾数IEEE754位三部分能够表示很大范围的数值，但精度有限精度与范围平衡定点数精度高但范围小，浮点数范围大但可能有精度损失根据应用需求选择合适的数值表示方法机器数与真值补码表示法反码表示法现代计算机普遍采用的有符号数表示方原码表示法正数的反码与原码相同，负数的反码是原法补码运算规则统一，无需特殊处理符最高位表示符号，其余位表示数值的绝对码除符号位外各位取反反码是补码的过号位，硬件实现简单高效值原码表示直观易懂，但运算复杂，存渡形式，实际应用较少在和两种表示+0-0计算机中的算术运算基本加法运算所有运算的基础加法器电路半加器和全加器构成溢出检测防止运算结果错误硬件实现电路级优化设计逻辑运算基本单元与门电路或门电路非门电路只有当所有输入都为时，只要有一个输入为，输输出与输入相反的逻辑11输出才为实现逻辑出就为实现逻辑功值实现逻辑功能，11OR NOT功能，是构建复杂逻能，广泛应用于选择和常用于信号反相和逻辑AND辑电路的基础单元判断电路中取反操作异或门电路当输入不同时输出为，1相同时输出为在加法0器和奇偶校验电路中有重要应用算术逻辑单元ALU数据输入运算处理接收两个操作数和控制信号，准备执行根据控制信号选择算术运算或逻辑运指定的运算操作算，调用相应的电路模块标志设置结果输出设置零标志、进位标志、溢出标志等状产生运算结果和状态标志，更新相关的态位，供后续指令判断使用状态寄存器存储器概述寄存器速度最快，容量最小，成本最高高速缓存速度很快，容量较小，缓解速度差异主存储器速度适中，容量适中，程序运行空间外存储器速度较慢，容量很大，永久保存数据主存储器地址选择发送内存地址到地址总线，经过地址译码器选择具体的存储单元位CPU置数据传输根据读写控制信号，在数据总线上进行数据的读取或写入操作时序控制严格按照时序要求完成访问周期，确保数据传输的正确性和可靠性刷新维护需要定期刷新来保持数据，刷新控制器自动完成这一过程DRAM辅助存储器存储类型访问速度存储容量主要特点机械硬盘较慢很大成本低，容量大固态硬盘快大无机械部件，抗震光盘存储慢中等便携性好，成本低磁带存储很慢很大备份专用，顺序访问高速缓存原理Cache95%32KB缓存命中率缓存容量L1现代处理器缓存的典型命中率，大一级缓存的典型大小，分为指令缓存L1大提高了系统整体性能和数据缓存两部分3-4访问周期缓存的访问时间，相比主存的几十L1个周期有巨大优势虚拟存储器地址转换机制页面置换策略虚拟地址通过转换为物理地址，使程序可以使用比物理内当物理内存不足时，操作系统选择合适的页面换出到外存常用MMU存更大的地址空间页表记录了虚拟页到物理页的映射关系的置换算法包括、、时钟算法等LRU FIFO快表缓存最近使用的地址转换信息，加速地址转换过程当页面置换算法的选择直接影响系统性能，需要在命中率和实现复TLB未命中时，需要访问页表进行地址转换杂度之间取得平衡TLB指令系统概述操作码字段地址码字段指定要执行的操作类型，如加指定操作数的地址或操作数本法、减法、跳转等操作码的身根据地址码数量可分为零位数决定了指令系统能支持的地址、一地址、二地址和三地指令数量址指令寻址方式确定操作数有效地址的方法，包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等多种方式指令流水线基础取指阶段1从内存中读取指令到指令寄存器，同时更新程序计数器指向下一条指令2译码阶段分析指令格式，确定操作类型和操作数地址，生成控制信号执行阶段3执行具体的算术或逻辑运算，或者计算有效地址ALU4访存阶段如果需要，访问内存读取操作数或存储运算结果写回阶段5将运算结果写回目标寄存器或内存单元，更新状态标志指令执行过程详解控制单元原理硬布线控制微程序控制使用组合逻辑电路直接产生控制信号，执行速度快但设计复杂将每条机器指令对应的控制信号序列存储为微程序，通过执行微修改指令系统需要重新设计硬件电路，灵活性较差指令产生控制信号设计灵活，易于修改和扩展•速度快•设计灵活•硬件复杂•易于修改•修改困难•速度稍慢控制单元设计时钟同步所有控制信号都与系统时钟同步，确保各部件协调工作时钟频率决定了处理器的基本运行速度信号生成根据指令译码结果和当前状态，生成相应的控制信号序列控制信号的时序必须精确匹配各部件的操作要求状态转换控制单元按照预定的状态转换图工作，每个状态对应特定的控制信号组合状态机确保指令执行的正确时序程序计数器与顺序控制初始化取指操作PC1程序开始时指向第一条指令地址根据值从内存读取当前指令PC PC2分支处理递增4PC3如遇跳转指令则修改值改变执行流自动加上指令长度指向下一条指令PC PC结构与功能CPU单核架构特点多核发展趋势专用处理单元传统单核包含一个完整的处理核现代普遍采用多核设计，通过并行集成、等专用处理单元，形成CPU CPUGPU DSP心，所有指令顺序执行通过提高时处理提高整体性能多核架构需要考异构计算架构针对特定应用优化，钟频率和优化指令流水线来提升性虑核间通信和缓存一致性问题显著提升相关任务的处理效率能内部总线与外部总线地址总线传输内存地址信息，位数决定了可寻址的内存空间大小位地址总32线可寻址内存空间4GB数据总线传输数据信息，位数决定了一次传输的数据量位数据总线可以一64次传输个字节的数据8控制总线传输控制信号，协调各部件的工作时序包括读写信号、中断信号、复位信号等总线仲裁方式集中仲裁方式分布仲裁方式由专门的总线仲裁器统一管理总线的使用权当多个设备同时请不设置专门的仲裁器，各设备通过协商机制争夺总线使用权每求总线时，仲裁器根据优先级算法决定授权给哪个设备个设备都具有仲裁能力，系统可靠性更高•链式查询方式•自举分布仲裁•计数器定时查询•冲突检测仲裁•独立请求方式•令牌传递方式输入输出系统概述现代计算机支持多种标准化接口，每种接口都有特定的传输协议和应用场景接口具有即插即用特性，提供高速扩展能力，专门用于存储设USB PCIeSATA备连接程序中断与异常机制中断响应检测并响应中断请求CPU现场保护保存当前程序执行状态中断处理执行中断服务程序现场恢复恢复被中断程序的执行直接存储器访问（）DMA初始化DMA配置控制器的源地址、目标地址、传输长度等参数，启动CPU DMADMA传输过程总线申请控制器向申请总线使用权，在适当时机让出总线控制权给DMA CPUCPUDMA数据传输控制器直接控制数据在内存和设备间的传输，无需参与每DMA I/O CPU个数据的搬移传输完成传输结束后控制器释放总线，向发送中断信号通知传输完成DMA CPU外部设备控制方式控制方式参与度传输效率适用场景CPU程序查询持续参与低简单低速设备中断驱动按需参与中等键盘鼠标等交互设备方式最少参与高磁盘网卡等高DMA速设备三种控制方式各有适用场景程序查询方式简单但效率低，中断方式兼顾效率和灵活性，方式适合大批量数据传输现代计算机通常同时采用多种方DMA式实用指令实例图解算术指令执行指令将两个寄存器的值相加，结果存入目标寄存器指令格式包含ADD操作码、源寄存器、源寄存器和目标寄存器字段12逻辑指令操作指令对两个操作数执行按位与运算，常用于位掩码操作指AND OR令执行按位或运算，指令执行异或运算XOR分支跳转控制指令比较两个寄存器值，相等时跳转到指定地址指令无BEQ JAL条件跳转并保存返回地址，用于函数调用多级流水线及超标量144流水线级数发射宽度现代高性能处理器的典型流水线深超标量处理器每个时钟周期可以同时度，更细的划分提高了时钟频率发射的指令数量8执行单元并行工作的功能单元数量，支持指令级并行执行分支预测技术预测决策推测执行根据历史信息预测分支指令的跳转方向按照预测结果继续执行后续指令预测更新结果验证根据实际结果更新预测器状态信息分支指令执行完成后验证预测正确性存储一致性与同步状态Modified缓存行已被修改且只存在于当前缓存中此状态下的数据与主存不一致，需要在替换前写回主存状态Exclusive缓存行只存在于当前缓存中且与主存一致可以直接修改而无需通知其他缓存，修改后转为状态Modified状态Shared缓存行存在于多个缓存中且都与主存一致修改前需要先获得独占权，通知其他缓存将该行标记为无效状态Invalid缓存行无效，不能使用访问时会触发缓存未命中，需要从主存或其他缓存重新加载数据多核计算机组成共享总线架构点对点互连所有处理器核心通过共享总线访问内存和设备结构简单，每个核心都有专门的互连通道，形成网状拓扑结构可扩展性I/O编程模型统一，但总线可能成为性能瓶颈强，带宽充足，但设计复杂度较高•实现简单•带宽可扩展•缓存一致性易维护•延迟可预测•扩展性有限•设计复杂典型计算机系统案例单板机系统硬件组成微控制器存储器模块接口电路电源管理集成、内存、包含程序存储器提供与外部设备通信的稳压器和电源控制电CPU I/O接口的单芯片系统，是（）和数据存储标准接口，如、路，为系统各部分提供Flash UART嵌入式系统的核心处理器（），存储系统、等通信协议稳定的工作电压RAM SPII2C单元软件和运行数据汇编语言代码实例源代码编写使用汇编语言编写程序，每条汇编指令对应一条或多条机器指令，具有良好的可读性汇编翻译汇编器将汇编代码翻译成机器码，完成符号地址解析和指令编码过程链接装载链接器处理外部符号引用，装载器将可执行文件加载到内存中指定位置程序执行CPU按照程序计数器顺序执行机器指令，完成程序预定的功能现代集成发展CPU与对比CISC RISC复杂指令集精简指令集CISC RISC指令功能强大，单条指令可完成复杂操作指令长度可变，寻址指令简单规整，硬件实现容易优化指令长度固定，执行时间可方式多样，编译器设计相对简单，但硬件实现复杂预测，有利于流水线设计和编译器优化•指令功能强大•指令简单规整•代码密度高•流水线效率高•硬件复杂•编译器复杂•执行时间不固定•寄存器数量多体系结构前沿技术量子计算1利用量子叠加和纠缠实现并行计算神经形态芯片模拟大脑神经网络的计算架构生物计算基于和蛋白质的生物分子计算DNA光子计算利用光子进行信息处理和传输安全机制与可信计算安全启动验证操作系统完整性，确保系统从可信状态启动，防止恶BIOS意代码在启动过程中注入内存保护提供虚拟内存保护，隔离不同进程的地址空间，防止越界MMU访问和缓冲区溢出攻击硬件加密专用加密协处理器执行密码学运算，提供硬件级的安全保障和密钥管理功能能源效率优化动态电压调整动态频率缩放睡眠唤醒机制根据负载需求动态调整工作电智能调节处理器工作频率，空闲时不活跃的功能单元进入低功耗睡眠CPU压，在保证性能的前提下降低功降低频率节约能源现代可在状态，需要时快速唤醒多级睡眠CPU耗低负载时降低电压可显著减少毫秒级别内快速调整频率状态提供不同的功耗和唤醒延迟平功耗衡计算机组织与体系结构的区别计算机体系结构计算机组织关注程序员可见的系统属性，包括指令集、数据类型、寻址方关注如何实现体系结构规定的功能，包括硬件细节、控制信号、式、中断机制等体系结构定义了软硬件接口规范存储器组织、总线设计等具体实现方法体系结构的改变通常需要重新编译程序，甚至修改程序代码例组织的改变不影响程序的正确性，只影响性能和成本例如增加如从位架构升级到位架构缓存容量或改变流水线设计3264信息传输与编码扩展编码ASCII位编码表示个字符，包括英文字母、数字和控制字符是最基础的7128字符编码标准扩展ASCII位编码扩展到个字符，添加了特殊符号和其他语言字符不同地8256区有不同扩展版本编码Unicode支持世界上几乎所有语言字符的统一编码标准是其中最常用的UTF-8变长编码格式数据对齐合理安排数据在内存中的存储位置，提高访问效率字节序影响多字节数据的存储顺序典型教材与参考资料推荐王道考研系列哈工大刘宏伟配套习题资源针对计算机考研精心编写，知识点覆盖全哈尔滨工业大学经典课件体系，理论深入大量经典习题和历年真题，涵盖各个知识面，例题丰富配有详细的解题思路和技浅出，实验设计合理在高校中广泛使点提供详细解答和分析，帮助学生巩固巧总结，是考研学生的首选教材用，口碑优秀理论知识历年考试真题与解析图解例题实战题目分析阶段仔细阅读题目要求，识别关键信息和约束条件画出相关的电路图或结构图，明确输入输出关系方案设计阶段根据题目要求选择合适的设计方案，考虑性能、成本、复杂度等因素确定主要的设计参数和指标详细计算阶段运用相关公式和原理进行定量计算，验证设计方案的可行性注意单位换算和数值精度结果验证阶段检查计算结果的合理性，与题目给出的约束条件对比验证总结设计要点和关键技术复习策略与笔记方法卡片记忆循环复习制作便携式复习卡片按照遗忘曲线安排复习•核心概念总结•及时复习巩固思维导图实践应用•公式定理整理•定期回顾检查构建知识体系框架•随时随地复习•重点反复练习理论结合实际操作•主题分支清晰•仿真实验验证•概念关联明确•编程实现算法•重点突出标记•硬件观察分析。