计算机组成原理袁春风chap3homework

计算机组成原理[袁春风]chap3homework目录计算机系统概述数据的表示与运算存储系统指令系统中央处理器输入输出系统01计算机系统概述包括中央处理器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，是计算机的物理基础。硬件系统软件系统数据包括系统软件和应用软件，是计算机的灵魂，控制和管理计算机的硬件和软件资源。是计算机处理的对象，包括数值数据、非数值数据和多媒体数据等。030201计算机系统的组成计算机系统的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积缩小、功耗降低、可靠性提高。第三代计算机（1965-1970）中小规模集成电路时代，采用中小规模集成电路作为基本元件，进一步提高了计算机的性能和可靠性。第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，采用大规模和超大规模集成电路作为基本元件，使得计算机的性能和可靠性得到了极大的提升。运算速度单位时间内执行指令的条数，用MIPS（百万条指令/秒）或GFLOPS（十亿次浮点运算/秒）来衡量。包括内存储器和外存储器的容量，内存储器容量用字节（Byte）为单位来衡量，外存储器容量用位（Bit）为单位来衡量。指计算机在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，用平均无故障时间（MTBF）来衡量。指计算机系统正常运行的概率，用可用度（A）来衡量。指计算机系统发生故障时能够迅速恢复正常运行的能力，用平均修复时间（MTTR）来衡量。存储容量可用性可维护性可靠性计算机系统的性能指标02数据的表示与运算用符号位和数值位直接表示数据，符号位为0表示正数，为1表示负数，数值位为数据的绝对值。原码表示法正数的补码与其原码相同，负数的补码为其原码按位取反后加1。补码表示法解决了原码表示法中加减运算复杂的问题。补码表示法正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码按位取反。反码表示法作为求补码的中间过渡，用于将减法转换为加法。反码表示法将数据的补码符号位取反得到移码。移码表示法常用于浮点数的阶码表示，使得浮点数的比较和排序更加方便。移码表示法数据的表示方法定点运算参与运算的数均为定点数，包括定点整数和定点小数。定点运算主要包括定点加减、定点乘法和定点除法。浮点运算参与运算的数均为浮点数，浮点运算遵循IEEE754标准，主要包括浮点加减、浮点乘法和浮点除法。浮点运算需要考虑对阶、尾数运算、规格化和舍入等问题。数据的运算方法包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等部分。ALU负责执行各种算术和逻辑运算，寄存器组用于暂存操作数和运算结果，数据总线用于在运算器和其他部件之间传输数据。运算器的基本组成根据指令的操作码和操作数地址，从内存中读取操作数到寄存器组中，然后送至ALU进行运算。运算结果再送回寄存器组或存入内存中。在运算过程中，还需要考虑溢出、中断等异常情况的处理。运算器的工作原理运算器的组成与工作原理03存储系统位于CPU内部，速度最快，容量最小，用于暂存指令和数据。寄存器高速缓存（Cache）主存储器（内存）辅助存储器（外存）位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小，用于缓解CPU和主存之间的速度差异。位于主机内部，速度与CPU相匹配，容量较大，用于存放正在运行的程序和数据。位于主机外部，速度较慢，容量很大，用于长期保存信息。存储器的层次结构主存储器的基本组成存储体、地址译码器、读写电路、控制逻辑等。主存储器的工作原理当CPU执行程序时，通过地址总线将地址信息送到地址译码器，地址译码器将地址信息转换为对应存储单元的选择信号，读写电路根据控制信号对选中的存储单元进行读写操作。主存储器的性能指标存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽等。主存储器的组成与工作原理辅助存储器的基本组成01磁表面存储器（如磁盘、磁带）、光表面存储器（如光盘）等。辅助存储器的工作原理02以磁表面存储器为例，其记录信息的方式是通过改变磁介质上的磁场方向来表示二进制数“0”和“1”。读写磁头在磁盘表面移动，通过感应电流的变化来读取或写入信息。辅助存储器的性能指标03记录密度、存储容量、数据传输率、寻址时间等。辅助存储器的组成与工作原理04指令系统指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指明指令要完成的操作，地址码则给出操作数或操作数所在内存单元的地址。包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等多种方式。不同的寻址方式对应不同的指令格式和操作方法。指令格式与寻址方式寻址方式指令格式算术运算类指令用于进行算术运算，如ADD、SUB、MUL、DIV等。程序控制类指令用于改变程序执行流程，如条件转移指令、无条件转移指令、子程序调用指令和返回指令等。逻辑运算类指令用于进行逻辑运算，如AND、OR、NOT等。数据传送类指令用于在存储器和寄存器之间传送数据，如LOAD、STORE等。指令的分类与功能指令的执行过程取指周期从内存中取出指令并放入指令寄存器中。执行周期根据分析结果，执行相应的操作。如果是访存指令，则需要访问内存；如果是寄存器操作，则直接在寄存器之间进行数据传送或运算。分析周期对取出的指令进行分析，确定操作码和操作数。中断周期在执行过程中，如果出现中断请求，则进入中断周期，保存现场并转向中断处理程序。中断处理结束后，再恢复现场并继续执行原程序。05中央处理器CPU主要由控制器、运算器和寄存器组成，其中控制器负责指令的取指、译码和执行，运算器负责数据的算术和逻辑运算，寄存器用于暂存数据和指令。组成CPU的工作原理可以概括为取指、译码、执行和写回四个阶段。在取指阶段，CPU从内存中读取指令；在译码阶段，将指令翻译成机器可以执行的微操作；在执行阶段，根据微操作执行相应的运算或数据传输；在写回阶段，将运算结果写回寄存器或内存。工作原理CPU的组成与工作原理性能指标CPU的性能指标主要包括主频、外频、倍频、缓存容量、核心数、线程数等。主频越高，CPU处理速度越快；缓存容量越大，CPU访问数据的速度越快；核心数和线程数越多，CPU的并行处理能力越强。优化方法为了提高CPU的性能，可以采用多种优化方法，如采用更先进的制造工艺、设计更高效的微架构、增加缓存容量、提高主频等。此外，还可以采用多核技术、超线程技术等并行处理技术来提高CPU的并行处理能力。CPU的性能指标与优化方法VS随着人工智能、大数据等技术的不断发展，对CPU的性能和功耗提出了更高的要求。未来CPU的发展趋势将包括更高的主频、更大的缓存容量、更多的核心数和线程数、更低的功耗等。同时，随着光计算、生物计算和量子计算等新型计算技术的发展，未来CPU的形态和计算方式也可能发生根本性的变化。挑战在实现CPU高性能的同时，也面临着多种挑战，如制造工艺的物理极限、散热问题、安全问题等。此外，随着摩尔定律的失效和硬件行业的变革，传统CPU厂商需要不断创新和突破才能保持竞争优势。发展趋势CPU的发展趋势与挑战06输入输出系统如键盘、鼠标、显示器等，用于实现人与计算机之间的信息交换。人机交互类设备如硬盘、U盘、光盘等，用于保存和读取数据。存储设备如网卡、路由器等，用于实现计算机之间的远程通信。网络通信设备I/O设备的类型与特点其他设备如打印机、扫描仪、摄像头等，用于实现特定功能。异步性I/O设备的操作与CPU的操作通常是异步的，即它们可以并行进行。实时性某些I/O设备需要实时响应，如音频和视频设备。设备相关性不同类型的I/O设备有不同的操作方式和数据格式。I/O设备的类型与特点I/O接口的功能数据缓冲和锁存功能。此功能是解决速度匹配问题。由数据锁存器或缓冲器完成。接收和执行CPU命令的功能。此功能是解决相应的控制问题。由接口电路中的控制寄存器完成。I/O接口的功能与组成0102I/O接口的功能与组成数据格式变换功能。此功能是解决传递数据交换问题。由接口电路中移位寄存器完成。信号电平转换功能。此功能是解决信号匹配问题。由接口电路完成电平转换。数据总线缓冲器与CPU数据总线相连，起到数据缓冲和锁存的作用。控制寄存器接收CPU的控制命令，并控制接口和设备的操作。I/O接口的功能与组成I/O接口的功能与组成状态寄存器保存接口和设备的状态信息，供CPU查询。数据格式转换电路将CPU传送的并行数据转换为设备所需的串行数据，或将设备传送的串行数据转换为CPU所需的并行数据。程序查询方式CPU通过程序主动查询I/O设备的状态，若设备准备好则进行数据交换。这种方式简单但效率低下，适用于对实时性要求不高的简单设备。中断控制方式当I/O设备准备好后，通过中断请求通知CPU，CPU响应中断后进行数据交换。这种方式提高了CPU的利用率，适用于实时性要求较高的设备。DMA控制方式在主存和I/O设备之间设置一条直接数据通路，使得主存和