《计算机组成原理》教程第1章概述

《计算机组成原理》教程第1章概述计算机系统简介数据表示与运算方法存储系统概述指令系统与寻址方式中央处理器结构与功能总线系统与输入输出设备contents目录01计算机系统简介第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机计算机发展历程电子管计算机，体积庞大、运算速度低、成本高且可靠性差。集成电路计算机，进一步提高了运算速度和可靠性，并开始应用于各个领域。晶体管计算机，体积减小、运算速度提高、成本降低且可靠性增强。超大规模集成电路计算机，体积进一步减小、运算速度飞速提升，功能更加强大且应用领域广泛。包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等，是计算机系统的物质基础。硬件系统包括操作系统、应用软件等，是计算机系统的灵魂，负责管理和控制硬件系统的工作。软件系统计算机系统组成指计算机运算器一次能处理的二进制数据的位数，字长越长，计算机的运算精度越高、处理能力越强。字长运算速度存储容量外部设备配置及扩展能力指计算机每秒钟能执行的指令数，单位是MIPS（百万条指令/秒）或GFLOPS（十亿次浮点运算/秒）等。指计算机存储器能存储的二进制信息的总量，单位是字节（Byte）。指计算机与外部设备的连接性能和扩展槽数量等，决定了计算机的扩展性和可升级性。计算机性能指标02数据表示与运算方法计算机内部采用二进制表示数据，因为二进制数的表示方式非常适合计算机内部的电路和逻辑运算。二进制人们日常生活中最为熟悉的数制，每一位上的数码都是0~9之间的数字。十进制在计算机领域也常用到十六进制，它可以用来更紧凑地表示二进制数，每4位二进制数对应1位十六进制数。十六进制将字符、数字等信息转换成计算机能够识别的二进制代码的过程，如ASCII码、Unicode等。编码数制与编码小数点固定在最低有效位的后面，用于表示整数。小数点固定在最高有效位的前面，用于表示小数。这种表示方法会受到字长的限制，导致数值范围和精度有限。定点数表示法定点小数定点整数浮点数表示法浮点数是一种可以表示很大或很小的数的表示方法，它由尾数、基数和指数三部分组成。IEEE754标准规定了浮点数的存储格式，包括符号位、指数位和尾数位的位数以及它们的排列方式。规格化浮点数为了使浮点数的表示唯一且精度最高，需要对浮点数进行规格化处理，即使尾数的最高位始终为1（对于二进制浮点数）。浮点数的概念基本运算方法01包括加法、减法、乘法、除法等基本算术运算，以及逻辑运算和移位运算等。运算器的组成02运算器是实现算术运算和逻辑运算的部件，它由算术逻辑单元（ALU）、累加器、寄存器等部件组成。运算器的功能03根据指令的要求，从存储器或寄存器中取出操作数进行运算，并将结果存回存储器或寄存器中。同时，运算器还可以执行一些与运算相关的操作，如溢出检测和处理等。运算方法与运算器03存储系统概述存储器分类及性能指标存储器分类按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器、光存储器等；按存储方式可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。性能指标存储容量、存取速度、可靠性、功耗等是评价存储器性能的重要指标。主存储器结构主存储器通常由存储体、地址译码器、读写控制电路和数据输入输出电路等部分组成。工作原理主存储器的工作过程是通过地址译码器找到指定存储单元，然后通过读写控制电路控制数据的输入和输出。主存储器结构与工作原理硬盘、软盘、光盘、U盘等是常见的辅助存储器。辅助存储器种类辅助存储器具有存储容量大、价格低、可长期保存数据等特点，但存取速度较慢。特点辅助存储器简介存储系统层次结构存储系统通常由高速缓冲存储器（Cache）、主存储器和辅助存储器三个层次组成。层次间关系Cache位于CPU和主存储器之间，用于提高CPU访问主存储器的速度；主存储器用于存放当前正在运行的程序和数据；辅助存储器用于长期保存大量数据。存储系统层次结构04指令系统与寻址方式指令格式指令通常由操作码和操作数组成，操作码指明操作的性质，操作数表示操作的对象。根据指令长度的不同，可分为定长指令和变长指令。指令分类按照指令的功能，可以将其分为数据传送指令、算术逻辑指令、控制转移指令、输入输出指令等。不同类型的指令在指令系统中起着不同的作用。指令格式及分类VS寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条要执行的指令地址的方法。常见的寻址方式有立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。寻址方式特点不同的寻址方式具有不同的特点，如立即寻址方式操作数紧跟在操作码后面，直接寻址方式操作数的有效地址直接给出，间接寻址方式操作数的有效地址通过存储器间接给出等。寻址方式寻址方式及特点Intelx86指令系统x86指令系统是Intel公司为其x86系列微处理器设计的指令系统，具有丰富的指令集和灵活的寻址方式，广泛应用于PC机和服务器领域。ARM指令系统ARM指令系统是ARM公司为其ARM处理器设计的精简指令集，具有功耗低、成本低、性能高等特点，广泛应用于嵌入式系统和移动设备领域。MIPS指令系统MIPS指令系统是MIPS公司为其MIPS处理器设计的精简指令集，采用RISC架构，具有指令简单、执行效率高、易于扩展等特点，广泛应用于高性能计算领域。典型指令系统介绍05中央处理器结构与功能负责解释指令、生成控制信号，并协调各部件工作。控制器执行算术和逻辑运算，包括加法器、乘法器等。运算器提供高速暂存数据的场所，包括通用寄存器、专用寄存器等。寄存器组连接CPU内部各部件，实现数据传输和通信。内部总线CPU组成部件及功能取指对指令进行解析，确定操作码和操作数地址。译码执行写回01020403将执行结果写回到存储器或寄存器中。从存储器中读取指令，并放入指令寄存器。根据操作码调用相应部件执行操作。指令执行过程CPU性能指标及发展趋势主频、字长、缓存大小、指令集、功耗等。性能指标更高的主频、更多的核心数、更大的缓存、更低的功耗、更丰富的指令集优化等。同时，随着人工智能、物联网等技术的发展，CPU也在向异构计算、智能化等方向发展。发展趋势06总线系统与输入输出设备总线是连接计算机内部各个部件之间的一组传输线，用于在各个部件之间传输数据和控制信号。根据总线所处的位置和作用，可以将其分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线连接CPU和内部存储器，系统总线连接计算机内部各大部件，外部总线则用于连接计算机和外部设备。总线系统概念总线分类总线系统概念及分类总线仲裁当多个部件同时需要使用总线时，需要通过总线仲裁机制来决定哪个部件优先使用总线。常见的总线仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。通信控制总线上的数据传输需要遵循一定的通信协议和控制方式，以确保数据的正确传输和避免冲突。常见的通信控制方式有同步通信和异步通信。总线仲裁与通信控制输入设备输入设备用于将外部信息输入到计算机中，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备输出设备用