《计算机原理》第六章

计算机原理第六章contents目录引言计算机体系结构指令系统中央处理器存储系统总线系统输入输出系统引言CATALOGUE01指令集架构是计算机硬件和软件之间的接口，它定义了计算机能够执行的基本操作和指令集。汇编语言是一种低级语言，与指令集架构直接对应，用于编写针对特定指令集架构的程序。计算机原理第六章主要探讨计算机体系结构中的指令集架构（ISA）和汇编语言。主题概述理解指令集架构的基本概念、功能和分类。掌握常见指令集架构的特点和优缺点。学习汇编语言的语法、语义和编程技巧。了解汇编语言在系统级程序设计和嵌入式系统开发中的应用。01020304学习目标计算机体系结构CATALOGUE02负责执行计算机程序中的指令，控制计算机的各个部件协调工作。中央处理器（CPU）用于存储数据和程序，包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。存储器（Memory）用于输入和输出数据，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。输入输出设备（I/O设备）用于连接各个硬件部件，实现数据传输。总线（Bus）计算机硬件组成包括操作系统、编译器、数据库管理系统等，用于管理和控制计算机的硬件资源。系统软件包括各种应用程序，如办公软件、图像处理软件等，用于实现特定的功能。应用软件计算机软件组成CPU从存储器中读取指令并执行，完成对数据的处理和控制。指令执行数据存储数据传输数据被存储在存储器中，通过地址码的唯一标识实现数据的读取和写入。通过总线将各个硬件部件连接起来，实现数据的传输和控制信号的传递。030201计算机工作原理指令系统CATALOGUE03CISC(ComplexInstructionSetComputing)包含大量复杂的指令，能够执行多种多样的操作。优点：能处理大量数据，执行复杂操作。指令集架构缺点：指令集过于庞大，导致硬件实现复杂，功耗大，成本高。RISC(ReducedInstructionSetComputing)只包含简单的指令，强调简化硬件设计。指令集架构指令集精简，硬件实现简单，功耗低，成本低。需要更多的指令数量来完成同样的任务。指令集架构缺点优点优点并行处理能力强，性能高。缺点设计复杂，实现难度大。指令集架构固定长度的指令格式所有指令长度相同，易于解码。优点：解码速度快。指令格式缺点：灵活性差，不易扩展。可变长度的指令格式根据不同指令长度可变，灵活性高。指令格式优点灵活性高，可扩展性强。缺点解码速度可能较慢，硬件实现复杂。指令格式取指从内存中取出指令放入指令寄存器。指令执行流程解码将指令寄存器中的指令解码成微操作序列。指令执行流程执行根据微操作序列执行相应的操作。指令执行流程0102指令执行流程根据需要访问内存或寄存器中的数据。访存中央处理器CATALOGUE04CPU的结构负责执行算术和逻辑运算，是CPU的核心部分。负责控制指令的执行顺序，协调各个部件的工作。用于存储运算结果和中间结果，以及存储待执行的指令。负责CPU与其他部件之间的数据传输。运算器控制器寄存器总线接口取指令指令译码执行指令指令结束CPU的工作原理01020304CPU从内存中读取指令并放入指令寄存器。控制器将指令寄存器中的指令翻译成一系列的微操作信号。根据译码结果，各个部件执行相应的操作。CPU将结果存回内存或寄存器中，并继续取下一条指令。主频字长缓存容量指令集CPU的性能指标CPU工作的时钟频率，单位是Hz。CPU内部用于存储数据和指令的内存容量，分为一级缓存、二级缓存等。CPU一次能处理的二进制位数，通常表示为位（bit）或字节（byte）。CPU支持的指令集合，包括算术运算、逻辑运算、控制转移等指令。存储系统CATALOGUE05010204主存储器主存储器是计算机中最重要的存储设备之一，用于存储运行中的程序和数据。它通常由RAM（随机存取存储器）组成，具有高速、随机访问的特点。主存储器的容量和速度对计算机的性能有很大影响。主存储器的主要技术指标包括容量、速度和价格。03辅助存储器是计算机中用于长期存储大量数据的设备。辅助存储器的容量大、价格低，但访问速度较慢。它通常包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、磁带等。辅助存储器的主要技术指标包括容量、速度和价格。辅助存储器高速缓存是一种特殊的存储器，用于存储CPU经常访问的数据和指令。高速缓存可以显著提高CPU的访问速度，从而提高计算机的性能。它通常由高速的SRAM（静态随机存取存储器）组成，具有高速、随机访问的特点。高速缓存的主要技术指标包括容量、速度和命中率。高速缓存总线系统CATALOGUE06总线的基本概念01总线是连接计算机各部件的一组公共信号线，是计算机中各部件之间进行信息传输的通道。总线的分类02总线可以分为内部总线和外部总线。内部总线是连接计算机内部各部件的总线，如CPU、内存、I/O接口等；外部总线是连接计算机与外部设备之间的总线，如USB、PCIe等。总线性能指标03总线的性能指标包括带宽、速度、位宽等。带宽是指总线每秒传输的数据量，速度是指总线传输数据的速率，位宽是指总线一次传输的数据位数。总线的基本概念内部总线可以分为单向总线和双向总线。单向总线只能进行单向数据传输，如地址总线；双向总线可以进行双向数据传输，如数据总线。内部总线的分类外部总线可以分为并行总线和串行总线。并行总线可以同时传输多个数据位，速度较快，但连接线较多；串行总线只能传输一位数据，但连接线较少，适用于远距离传输。外部总线的分类总线的分类总线的带宽是指总线每秒传输的数据量，通常以MB/s或GB/s为单位。带宽越大，表示总线的传输能力越强。带宽总线的速度是指总线传输数据的速率，通常以MHz或GHz为单位。速度越快，表示总线的传输效率越高。速度总线的位宽是指总线一次传输的数据位数，通常以8位、16位、32位、64位等表示。位宽越大，表示总线的传输能力越强。位宽总线性能指标输入输出系统CATALOGUE07输入输出设备输入设备键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、摄像头等，用于将用户输入的数据传输给计算机。输出设备显示器、打印机、音响等，用于将计算机处理后的数据以可视或可听的方式呈现给用户。VS数据以并行方式传输，具有传输速度快、数据量大等优点，但连接线较多，适用于近距离传输。串行接口数据以串行方式传输，具有连接线少、适用于远距离传输等优点，但传输速度较慢。并行接口输入输出接口程序查询方式：在程序中通过查询输入/输出设备状态的方式，确定数据是否准备好或是否已发送完毕。中断方式：当输入/输出设