计算机组成原理白中英主编课件ch

计算机组成原理本课程将深入探讨计算机系统的基本组成和工作原理，帮助你理解计算机是如何运行的。从最底层的硬件到软件之间的交互，我们将逐步揭示计算机世界的奥秘。计算机系统概述1硬件系统计算机系统的物理实体,包括中央处理器,存储器,输入输出设备等.2软件系统计算机系统的逻辑部分,包括系统软件和应用软件,用于控制硬件系统的运行.3数据处理过程计算机系统接受数据,处理数据,输出结果,并进行控制管理.计算机系统的硬件组成中央处理器(CPU)负责执行程序指令，是计算机的核心部件。主存储器(RAM)用于存储正在运行的程序和数据，速度快，但容量有限。输入/输出设备(I/O)负责与外部世界进行信息交换，包括键盘、鼠标、显示器等。辅助存储器(外存)用于长期保存数据和程序，速度慢，但容量大，例如硬盘、U盘。计算机系统的软件组成系统软件管理和控制计算机硬件，为应用软件提供运行环境。操作系统数据库管理系统编译器网络协议应用软件执行特定任务，满足用户需求。办公软件游戏软件图形设计软件网络浏览器数据表示和运算数据表示计算机使用二进制数表示数据，包括整数、浮点数、字符等。算术运算计算机执行加减乘除等基本运算，并提供多种算术逻辑运算。逻辑运算计算机支持与、或、非等逻辑运算，用于判断条件、控制程序流程等。进制转换及其运算1十进制转换为二进制将十进制数除以2，取余数，直到商为0，然后将余数逆序排列。2二进制转换为十进制将二进制数的每一位乘以相应的权值，然后将所有结果相加。3十进制转换为十六进制将十进制数除以16，取余数，直到商为0，然后将余数逆序排列，并用A-F表示10-15。4十六进制转换为十进制将十六进制数的每一位乘以相应的权值，然后将所有结果相加。计算机中的编码ASCII编码ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是美国信息交换标准代码。它是最常用的字符编码标准，用于表示英文和其他西欧语言的字符。Unicode编码Unicode是一种字符编码标准，旨在统一世界上所有语言的字符编码。它包含了来自世界各地不同语言的字符，包括中文、日文、韩文等。二进制编码计算机使用二进制编码来表示数据和指令。二进制编码只使用0和1两种数字，方便计算机进行逻辑运算和存储。运算器的工作原理1算术逻辑运算单元(ALU)执行算术和逻辑运算2数据寄存器暂存操作数和运算结果3状态寄存器保存运算结果的标志位4控制单元控制运算器各部分的工作流程存储器的工作原理1存储单元基本存储单位，存放一个二进制位2存储字多个存储单元组成，存放一个数据3存储器多个存储字组成，存放程序和数据存储器的层次结构缓存（Cache）是最快、最昂贵的存储器，用于存放经常访问的数据。主存储器（MainMemory）是较快的存储器，用于存放正在执行的程序和数据。辅助存储器（SecondaryStorage）是最慢、最便宜的存储器，用于长期保存数据和程序。存储技术和存储器种类闪存闪存是一种非易失性存储器，使用电荷存储数据。它比传统硬盘驱动器更快、更耐用，但成本更高。硬盘驱动器硬盘驱动器是一种机械存储器，使用旋转磁盘存储数据。它价格低廉，但速度较慢，容易受到震动和温度的影响。随机存取存储器(RAM)RAM是一种易失性存储器，用于存储计算机当前正在使用的程序和数据。它速度快，但数据在断电后会丢失。输入/输出系统概述键盘、鼠标、扫描仪等输入设备将外部信息转换为计算机可识别的信号。显示器、打印机、扬声器等输出设备将计算机处理结果转换为人类可感知的形式。网络接口允许计算机与其他设备进行数据交换，扩展系统功能。输入/输出接口定义输入/输出接口是连接计算机系统与外部设备的桥梁，负责数据传输和控制信号的传递。功能接口通过信号转换和协议匹配，实现计算机系统与外部设备之间的数据交换和控制命令的传递。分类接口主要分为并行接口和串行接口，以及通用接口和专用接口。输入设备键盘键盘是输入文本、数字和特殊字符的主要设备。鼠标鼠标用于控制光标，选择对象和执行命令。扫描仪扫描仪用于将纸质文档或照片转换为数字图像。麦克风麦克风用于将声音转换为数字信号。输出设备显示器显示器是将计算机内部的数字信号转换成可见图像的设备，是用户与计算机交互的主要媒介。打印机打印机将计算机中的数据以纸质形式输出，用于保存信息或制作文档副本。音响设备音响设备将计算机中产生的声音信号转换成可听的声音，用于播放音乐、视频等。投影仪投影仪将计算机中的图像或视频放大投影到屏幕上，方便多人观看。存储器层次结构速度和成本高速缓存存储器（Cache）速度快，但成本高；主存储器（MainMemory）速度较慢，但成本低；辅助存储器（SecondaryMemory）速度更慢，但成本最低。容量和访问时间高速缓存存储器容量小，访问时间短；主存储器容量较大，访问时间较长；辅助存储器容量最大，访问时间最长。虚拟存储器物理内存计算机系统中实际存在的内存空间，可以被直接访问。虚拟内存由操作系统管理的逻辑内存空间，可以大于物理内存。页表映射虚拟地址到物理地址的表格，实现虚拟内存管理。流水线技术1提高效率流水线可以将指令的执行时间缩短2并行处理流水线可以同时处理多条指令3提高性能流水线可以提高系统的吞吐量指令系统指令集指令集是一组指令，用于控制CPU执行特定操作。指令格式指令格式定义了指令的组成，包括操作码、操作数和地址信息。指令周期指令周期是指CPU执行一条指令所需的时间，包括取指令、译码、执行和写回等步骤。指令的执行过程取指从主存中取出指令译码将指令转换为CPU可执行的指令格式执行根据译码后的指令执行操作写回将执行结果写入主存或寄存器中央处理器的结构和功能1算术逻辑单元(ALU)执行算术和逻辑运算，例如加减乘除、比较大小等。2控制单元(CU)负责控制整个CPU的工作流程，包括指令的获取、译码、执行等。3寄存器组用于存放数据和指令，是CPU内部高速缓存器。主存储器和外存主存储器主存储器(RAM)是计算机系统中用于存储正在执行的程序和数据的临时存储区域。外存外存(SecondaryStorage)用于长期存储数据，比如硬盘驱动器、固态硬盘、光盘等。区别主存储器速度快、容量小、价格贵；外存速度慢、容量大、价格便宜。总线系统数据总线传输数据，包括指令、数据和地址地址总线用来指定数据在存储器中的地址控制总线用来控制数据传输的方向、时序和操作类型输入/输出系统数据交换负责将数据从计算机内部传送到外部设备，或从外部设备传送到计算机内部。设备控制管理外部设备的操作，包括启动、停止、数据传输等。中断处理当外部设备需要计算机处理时，会向计算机发送中断信号，并由输入/输出系统进行处理。中断机制中断是一种硬件机制，用于通知CPU发生了某个事件。中断可以暂停当前正在执行的程序，并转而执行相应的处理程序。中断处理完毕后，CPU会返回到中断前的程序继续执行。系统软件操作系统管理计算机硬件和软件资源，为用户提供一个友好的使用环境。程序设计语言提供一种与机器无关的语言，便于程序员编写程序。数据库管理系统管理数据的存储、查询和修改，方便数据的组织和使用。网络软件实现计算机之间的通信，方便信息的共享和传输。应用软件办公软件MicrosoftOffice,Office,GoogleDocs,etc.多媒体软件AdobePhotoshop,PremierePro,FinalCutPro,etc.网络应用软件浏览器,QQ,微信,淘宝,etc.游戏软件LeagueofLegends,Dota2,WorldofWarcraft,etc.计算机体系结构定义计算机系统中各个组成部分的结构和功能，以及它们之间相互联系和相互作用的方式为软件开发提供抽象模型，便于理解和设计应用程序影响计算机系统性能的重要因素，直接影响计算速度、存储效率和系统可靠性计算机性能评