计算机组成原理

计算机组成原理汇报人：xxx20xx-03-19计算机系统概述数据表示与运算存储器层次结构指令系统中央处理器总线系统输入输出系统目录计算机系统概述01机械计算时代：早期计算机采用机械方式进行计算，如算盘、计算尺等。电子管计算机时代：20世纪40年代，电子管的出现使得计算机进入电子时代。晶体管计算机时代：20世纪50年代末，晶体管的出现使得计算机体积缩小、速度提高。集成电路计算机时代：20世纪60年代，集成电路的出现使得计算机性能进一步提高，价格降低。超大规模集成电路计算机时代：20世纪70年代至今，随着超大规模集成电路技术的发展，计算机性能飞速提升，应用领域不断扩展。计算机发展历程包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等，是计算机的物理基础。包括操作系统、应用软件等，是计算机的灵魂和核心。计算机系统组成软件系统硬件系统03存储容量指计算机存储器所能存储的信息总量，以字节（Byte）为单位来衡量。01字长指计算机运算器进行一次运算所能处理的数据位数，反映了计算机的精度和处理能力。02运算速度指计算机每秒钟能执行的指令条数，以MIPS（百万条指令/秒）为单位来衡量。计算机性能指标外部设备配置包括输入输出设备的种类、数量和性能等，反映了计算机的扩展能力和应用范围。软件配置包括操作系统的类型、功能和应用软件的丰富程度等，反映了计算机的应用水平和易用性。注由于您不希望出现时间相关信息，因此我在“计算机发展历程”部分做了一些修改，去除了具体的时间线，只保留了不同时代的特点。同时，在“计算机性能指标”部分也做了一些调整，以符合您的要求。计算机性能指标数据表示与运算02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。二进制为了方便表示和书写，计算机中常用十六进制作为二进制的缩写形式。十六进制将字符、数字等信息转换成二进制代码的过程，常见的编码方式有ASCII码、Unicode等。编码数制与编码定点数与浮点数表示定点数小数点位置固定的数，适用于表示范围较小、精度要求不高的数值。浮点数小数点位置可以浮动的数，用于表示范围较大、精度要求较高的数值，如科学计算中的大数或小数。IEEE754标准规定了浮点数的表示方法，包括符号位、指数位和尾数位的排列方式。计算机中执行算术和逻辑运算的部件，能够对二进制数进行加、减、乘、除等基本运算以及逻辑运算。算术逻辑单元（ALU）加法运算减法运算乘法运算和除法运算计算机中最基本的算术运算之一，通过二进制加法器实现。将减法转换为加法进行运算，即求补码后相加。通过移位和加法或减法操作实现乘法和除法运算。算术逻辑单元及运算方法溢出溢出检测溢出处理防止溢出溢出及处理方法当运算结果超出计算机所能表示的范围时，就会发生溢出。一旦发生溢出，计算机需要采取相应的处理措施，如设置溢出标志、产生中断或异常等。计算机在进行算术运算时，需要检测是否发生溢出，以避免运算错误。在编程时，可以采取一些措施来防止溢出，如使用更大范围的数据类型、避免大数相乘等。存储器层次结构03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储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器（SAM）和直接存取存储器（DAM）。性能指标存储器的性能指标包括存储容量、存取速度、存储周期、存储器带宽等，这些指标决定了存储器的性能和应用范围。存储器分类及性能指标主存储器是计算机系统中的主要存储部件，用于存放程序和数据。它通常由存储体、地址译码器、读写电路和控制电路等部分组成。主存储器原理主存储器的设计需要考虑存储容量、存取速度、可靠性、功耗和成本等因素。为了提高存储器的性能，通常采用多体交叉存储、并行存储等技术。主存储器设计主存储器原理与设计高速缓冲存储器原理高速缓冲存储器（Cache）是一种高速的随机存取存储器，用于存放CPU最近使用过的数据和指令。它位于CPU和主存储器之间，可以提高CPU的访问速度。高速缓冲存储器设计高速缓冲存储器的设计需要考虑Cache的容量、块大小、映射方式、替换算法等因素。为了提高Cache的命中率，通常采用多级Cache、路组相联等技术。高速缓冲存储器原理与设计虚拟存储器是一种通过软件技术将物理内存扩展为逻辑内存的技术。它将程序和数据划分为多个页面，根据需要动态地装入和调出页面，从而实现比实际内存更大的存储容量。虚拟存储器原理虚拟存储器的设计需要考虑页面大小、页面置换算法、内存分配策略等因素。为了提高虚拟存储器的性能，通常采用快速页面置换算法、内存压缩等技术。虚拟存储器设计虚拟存储器原理与设计指令系统04指令格式及寻址方式指令格式指令通常由操作码、地址码和其他字段组成，操作码用于指定操作类型，地址码用于指定操作数地址。寻址方式常见的寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等，用于确定操作数在内存中的位置。包括数据移动、数据交换、数据填充等指令，用于实现数据在内存、寄存器和输入输出设备之间的传输。数据传输类指令包括加法、减法、乘法、除法、逻辑运算等指令，用于对数据进行算术和逻辑运算。算术逻辑类指令包括条件转移、无条件转移、子程序调用和返回等指令，用于改变程序的执行顺序。控制转移类指令包括输入输出指令、系统控制指令等，用于实现与外部设备的通信和系统控制功能。其他类型指令指令类型及功能描述指令系统设计原则指令系统应满足完整性、正交性、高效性和简洁性等原则，以支持丰富的数据类型和操作，提高程序执行效率。指令系统优化方法通过减少指令数量、简化指令格式、优化寻址方式、提高指令执行速度等方法来优化指令系统。指令系统设计与优化典型指令系统介绍x86指令系统x86指令系统是Intel和AMD等厂商生产的x86架构计算机所使用的指令系统，具有丰富的指令类型和灵活的寻址方式。ARM指令系统ARM指令系统是一种精简指令集（RISC）指令系统，广泛应用于嵌入式系统和移动设备领域，具有高效、节能等优点。MIPS指令系统MIPS指令系统也是一种RISC指令系统，以简单、规整和易于实现著称，常用于高性能计算机和超级计算机中。其他指令系统此外，还有PowerPC、SPARC、RISC-V等指令系统，各具特色和应用领域。中央处理器05CPU功能与组成中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责解释和执行指令，处理数据和控制计算机的各个部件。功能CPU主要由运算器（ALU）、控制器（CU）、寄存器组（包括通用寄存器、专用寄存器和状态寄存器）等部分组成。组成从存储器中取出指令，并放入指令寄存器。取指对指令进行译码，确定要执行的操作和操作数的地址。译码根据译码结果，执行相应的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输等。执行将执行结果写回到存储器或寄存器中。写回指令执行过程VS将指令的执行过程分解为多个阶段，每个阶段独立执行，实现指令的并行处理。应用提高CPU的运算速度，使多个指令在同一时间内处于不同的执行阶段，从而提高CPU的吞吐率。流水线技术流水线技术及应用主要包括主频、外频、前端总线频率、CPU的位和字长、倍频系数、缓存、超线程技术等。采用更先进的制程技术、提升主频、增加缓存容量、优化指令集、采用多核技术等方法来提高CPU的性能。同时，还可以通过合理的任务调度和算法优化来充分发挥CPU的性能。性能指标优化方法CPU性能指标及优化方法总线系统06控制总线用来传送控制信号和时序信号。地址总线用于传送地址信息，是单向的。数据总线用来传送数据信息，是双向三态形式的总线。总线定义总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。总线分类按照总线上传输信息类型的不同，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线。总线概念及分类总线通信协议为了保证总线上信息传输的正确性和有效性，必须制定一套规则来规范总线上各部件的行为，这套规则就是总线通信协议。总线仲裁方法当多个主设备同时竞争总线控制权时，需要由总线控制器进行仲裁，确定哪个主设备优先获得总线使用权。常见的总线仲裁方法有集中式仲裁和分布式仲裁两种。总线通信协议及仲裁方法ISA总线是最早出现的计算机总线，用于连接8位或16位的CPU和各种外设。PCI总线是一种高性能的32位或64位总线，具有即插即用、高速数据传输和自动配置等优点。USB总线是一种通用串行总线，支持热插拔和即插即用，广泛应用于计算机与外部设备的连接。典型总线系统介绍030201总线性能指标评价总线性能的主要指标包括总线宽度、总线时钟频率、总线传输速率和总线复用能力等。总线优化方法为了提高总线性能，可以采取以下优化方法增加总线宽度提高数据传输速率。提高总线时钟频率加快数据传输速度。采用总线复用技术实现多个设备同时传输数据。优化总线布局和布线减少信号干扰和传输延迟。总线性能指标及优化方法输入输出系统07输入设备将外界信息转换为计算机能识别的二进制代码，如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备将计算机处理后的二进制代码转换为人类可识别的信息，如显示器、打印机等。输入输出设备的接口连接计算机主机与外部设备的硬件接口，实现数据传输和控制。输入输出设备概述CPU通过执行程序不断查询外设状态，控制数据传输。程序查询方式中断方式DMA方式外设准备好数据后，向CPU发送中断请求，CPU响应中断后进行数据传输。直接内存访问，外设通过DMA控制器直接访问内存，无需CPU干预。030201输入输出控制方式中断请求外设向CPU发送中断请求信号，请求CPU处理。中断响应CPU响应中断请求，保存现场，转入中断处理程序。中断处理CPU执行中断处理程序，处理外设请求。中断返回中断处理程序执行完毕，CPU恢复现场，返回原程序继续执行。中