广工计算机组成原理课件

广工计算机组成原理课件CATALOGUE目录计算机系统概述运算方法与运算器存储系统指令系统与中央处理器（CPU）输入输出系统计算机系统的发展与展望计算机系统概述CATALOGUE01硬件计算机的物理组件，包括中央处理器、内存、存储设备、输入输出设备等。软件运行在计算机上的程序和数据，包括系统软件和应用软件。操作系统管理计算机硬件和软件资源的软件，提供用户界面和系统服务。计算机系统的基本组成物理硬件组件，包括中央处理器、内存、存储设备和输入输出设备等。硬件层管理硬件资源的软件，提供系统调用接口和用户界面。操作系统层运行在操作系统上的应用程序，为用户提供各种服务。应用层用户与计算机交互的界面，包括命令行界面和图形用户界面等。用户层计算机系统的层次结构计算机的工作过程计算机从内存中读取指令并执行，完成指定的操作。计算机对数据进行运算和处理，得到所需的结果。计算机接收外部输入并输出结果，与外部设备进行交互。计算机进行系统维护和管理，保证系统的正常运行。指令执行数据处理输入输出系统维护运算方法与运算器CATALOGUE02定点数的概念在计算机中，整数和小数都可以用定点数表示。定点数是指小数点固定在某一位置的数，通常用于表示整数和小数。定点数的表示定点数可以用二进制、十进制或十六进制表示。在二进制表示中，小数点左边是整数部分，右边是小数部分。定点数的运算定点数的运算包括加法、减法、乘法和除法等。在进行运算时，需要遵循二进制数的运算规则，如无符号二进制数的加法和减法规则等。定点数的表示与运算浮点数的概念浮点数是用来表示带有小数点的实数的数。在计算机中，浮点数通常由符号位、指数位和尾数位组成。浮点数的表示浮点数可以用IEEE754标准表示。该标准规定了单精度和双精度两种格式，其中单精度格式由1位符号位、8位指数位和23位尾数位组成，双精度格式由1位符号位、11位指数位和52位尾数位组成。浮点数的运算浮点数的运算包括加法、减法、乘法和除法等。在进行运算时，需要遵循IEEE754标准的运算规则，如加法规则、乘法规则等。浮点数的表示与运算运算器是计算机中执行算术和逻辑运算的部件，主要完成定点数和浮点数的加法、减法、乘法和除法等运算。运算器的概念运算器的基本工作原理是按照指令的要求，从内存中取出数据，进行指定的运算，并将结果存储回内存中。在进行运算时，运算器会根据指令对数据进行操作码和操作数的解析，然后根据操作码执行相应的操作。运算器的工作原理运算器的工作原理算术逻辑单元（ALU）是计算机中实现算术和逻辑运算的电路部件，主要完成二进制数的算术运算和逻辑运算。ALU的概念ALU的基本工作原理是根据指令的要求，对输入的操作数进行指定的算术运算或逻辑运算，并输出结果。ALU通常由多个门电路组成，如与门、或门、非门等，这些门电路组合在一起可以实现各种算术和逻辑运算。ALU的工作原理算术逻辑单元（ALU）存储系统CATALOGUE03按存储介质、按存取方式、按工作方式等。存储容量、存取时间、可靠性、功耗等。存储器的分类与性能指标性能指标存储器的分类分类静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。特点可随机读写数据，存取速度快，但断电后数据会丢失。工作原理利用双稳态电路的存储原理，通过时钟脉冲的上升沿或下降沿触发存储单元的读写操作。半导体随机存取存储器（RAM）工作原理分类特点只读存储器（ROM）存储单元内部结构不同，分为熔丝型、肖特基型、双极型和MOS型等。掩膜只读存储器（MROM）、可编程只读存储器（PROM）、紫外线擦除可编程只读存储器（EPROM）和电擦除可编程只读存储器（EEPROM）。数据只能写入一次，断电后数据不会丢失，但写入数据困难。分类一级缓存（L1Cache）、二级缓存（L2Cache）等。特点存取速度接近CPU速度，但容量较小，用于缓解CPU和主存之间的速度差异。工作原理利用程序访问的局部性原理，将频繁访问的指令和数据暂存至高速缓冲存储器中，以减少对主存的访问时间。高速缓冲存储器（Cache）指令系统与中央处理器（CPU）CATALOGUE04指令系统定义指令系统是计算机硬件与软件之间的接口，由一组指令集构成，用于实现计算机的基本功能。指令系统的特点指令系统决定了计算机的基本功能、操作性能和编程语言的特点。指令的分类根据指令的功能，可以将指令分为算术逻辑指令、控制指令、输入输出指令等。指令系统的基本概念030201指令格式与寻址方式指令格式指令格式包括操作码和地址码两部分，操作码表示指令的操作类型，地址码表示操作数或操作数的地址。寻址方式寻址方式是指确定操作数所在内存单元地址的方法，常见的寻址方式有立即寻址、寄存器寻址、内存直接寻址、间接寻址等。指令执行的控制方式定义指令执行的控制方式是指控制指令执行流程的方法，包括顺序执行、分支执行和循环执行等。指令执行的控制方式的实现通过改变程序计数器的值来实现指令的顺序执行和分支执行，通过设置条件标志位来实现循环控制。指令执行的控制方式VSCPU由运算器、控制器、寄存器组等组成，运算器负责进行算术逻辑运算，控制器负责控制指令执行流程，寄存器组用于存储数据和地址。CPU的工作过程CPU的工作过程包括取指、译码、执行、访存和写回等五个阶段，取指阶段从内存中取指令并存入寄存器，译码阶段对操作码进行解码并生成相应的控制信号，执行阶段根据控制信号完成相应的操作，访存阶段访问内存以获取数据或地址，写回阶段将运算结果写回内存或寄存器中。CPU的结构CPU的结构和工作过程输入输出系统CATALOGUE05外围设备是与计算机直接交互的外部设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。输入输出接口是连接外围设备和计算机之间的桥梁，负责数据的传输和控制。外围设备输入输出接口外围设备与输入输出接口数据传送控制方式DMA方式是直接内存存取方式，即外围设备和内存之间直接进行数据传输，不需要CPU的干预。DMA方式程序控制方式是通过程序来控制数据传送的，即通过CPU发出指令来控制数据的输入输出。程序控制方式中断方式是通过中断来控制数据传送的，即当外围设备需要输入或输出数据时，向CPU发出中断请求，CPU响应后进行数据传输。中断方式输入输出设备举例键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。输入设备显示器、打印机、音响等。输出设备计算机系统的发展与展望CATALOGUE06通过提升处理器速度、增加内存和存储容量等硬件升级手段，提高计算机系统的性能。硬件升级利用多核处理器或多线程技术，实现并行处理，加快计算速度。并行处理通过改进算法和软件优化，减少计算时间和资源消耗，提高系统性能。算法优化计算机系统的性能提高途径03并行处理与分布式系统的关系并行处理是分布式系统的一种实现方式，通过并行处理技术可以提高分布式系统的性能和效率。01并行处理技术利用多个处理器同时处理任务，加快计算速度，适用于大规模数据处理和高性能计算。02分布式系统将多个计算机系统通过网络连接，协同完成复杂任务，具有可扩展性和可靠性。并行处理技术与分布式系统随着互联网的发展，计算机系统结构越来越倾向于网络化，