【课件】计算机组成原理

计算机组成原理本课程将深入探讨计算机系统的核心组成部分、工作原理和发展趋势。我们将从基础到进阶，全面了解计算机的内部结构和运作机制。计算机系统的基本组成中央处理器计算机的大脑，负责执行指令和数据处理。内存暂时存储数据和指令，供CPU快速访问。存储设备长期保存数据和程序的设备。输入输出设备实现人机交互的接口设备。数据的表示和运算二进制表示计算机使用二进制系统表示所有数据。每个位（bit）可以是0或1。数据类型包括整数、浮点数、字符和布尔值等。不同类型有特定的表示方法。运算规则加法、减法、乘法和除法等运算遵循特定的二进制运算规则。存储器的层次结构1寄存器速度最快，容量最小2缓存高速小容量存储器3主存随机访问内存（RAM）4辅存硬盘、固态硬盘等CPU的基本组成控制单元负责指令的解码和执行控制，协调各部件工作。算术逻辑单元（ALU）执行算术运算和逻辑运算，如加减乘除、与或非等。寄存器组用于暂存指令、数据和地址，包括通用寄存器和专用寄存器。内部总线连接CPU内部各个部件，实现数据传输。中央处理器的工作过程1取指令从内存中获取下一条要执行的指令。2指令译码分析指令，确定操作类型和操作数。3执行指令执行指令指定的操作。4存储结果将执行结果存入指定的位置。指令系统的基本结构操作码指定要执行的操作，如加法、减法、移位等。地址码指定操作数的位置，可能包括源操作数和目标操作数地址。寻址方式指定如何获取操作数，如直接寻址、间接寻址等。指令格式定义指令的长度和字段分布，影响指令系统的灵活性和效率。指令的类型和功能算术指令执行加减乘除等数学运算。逻辑指令执行与、或、非等逻辑运算。数据传送指令在存储器和寄存器之间移动数据。控制转移指令改变程序执行顺序，如跳转和分支。寄存器的种类和作用通用寄存器用于暂存各种数据，如操作数和中间结果。灵活性高，可由程序员直接使用。专用寄存器具有特定功能，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和状态寄存器（PSW）等。地址寄存器存储内存地址，用于指定数据的存取位置。包括内存地址寄存器（MAR）等。程序计数器和指令寄存器程序计数器（PC）存储下一条要执行指令的地址。自动递增，实现顺序执行。指令寄存器（IR）存储当前正在执行的指令。保存指令的操作码和操作数。PC和IR的协作PC指向下一条指令，IR存储当前指令，共同推动指令执行循环。在指令周期中的角色PC在取指阶段使用，IR在译码和执行阶段使用。算术逻辑单元的结构和功能输入单元接收操作数和控制信号。运算单元执行算术和逻辑运算。状态寄存器存储运算结果的标志位。输出单元将运算结果传送到目标位置。控制单元的结构和功能1指令译码解析指令，确定操作类型和操作数。2时序控制生成各种控制信号，协调各部件工作。3微程序控制使用微程序实现复杂指令的执行。4中断处理响应和处理各种中断请求。存储器的分类和特点随机存取存储器（RAM）可读写，断电数据丢失。包括静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。只读存储器（ROM）只读不可写，断电数据不丢失。包括PROM、EPROM和EEPROM等。高速缓存（Cache）介于CPU和主存之间的高速小容量存储器，提高访存速度。主存储器的工作原理1地址译码将内存地址转换为具体的存储单元位置。2读操作从指定地址读取数据，并通过数据总线传输。3写操作将数据写入指定的内存地址。4刷新对于DRAM，需要定期刷新以保持数据。辅助存储器的工作原理硬盘驱动器（HDD）使用磁头读写磁盘表面的数据。具有大容量、低成本特点。固态驱动器（SSD）使用闪存芯片存储数据。速度快，无机械部件。光盘存储器使用激光读写数据。包括CD、DVD和蓝光光盘等。输入输出系统的组成输入设备将外部信息转换为计算机可识别的形式。如键盘、鼠标等。输出设备将计算机处理结果转换为人类可理解的形式。如显示器、打印机等。I/O接口连接外部设备和计算机内部系统，实现数据交换和控制。I/O控制器管理I/O操作，协调CPU和外部设备之间的数据传输。输入输出设备的种类输入输出设备种类繁多，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等。每种设备都有特定的数据传输方式和接口标准。输入输出接口的功能数据缓冲临时存储数据，协调不同速度设备间的数据传输。数据转换在串行和并行数据之间进行转换，适应不同传输方式。控制和定时管理数据传输的时序，确保数据传输的正确性。错误检测检测和报告数据传输过程中的错误。总线系统的结构和类型数据总线传输各功能部件之间的数据。双向传输，位数决定数据传输速率。地址总线传输内存地址或I/O端口地址。单向传输，位数决定可寻址范围。控制总线传输各种控制信号。包括时钟、中断、读写控制等信号。总线的传输特性同步传输数据传输与时钟信号同步，适用于高速传输。异步传输使用握手信号控制传输，适应不同速度设备。串行传输数据按位顺序传输，适用于长距离传输。并行传输多位数据同时传输，适用于短距离高速传输。计算机存储层次结构1寄存器速度最快，容量最小2高速缓存速度快，容量小3主存储器速度中等，容量大4辅助存储器速度慢，容量最大缓存技术的应用1局部性原理时间局部性和空间局部性是缓存技术的理论基础。2多级缓存现代处理器通常采用L1、L2、L3多级缓存结构。3缓存映射直接映射、全相联映射和组相联映射是常用的缓存映射方式。4替换算法LRU、FIFO等算法用于决定缓存块的替换。虚拟存储器的原理虚拟地址空间为每个进程提供独立的逻辑地址空间，大于物理内存。页表维护虚拟页面到物理页面的映射关系。页面置换当物理内存不足时，将不常用的页面置换到辅存。并行处理技术概述指令级并行同时执行多条独立指令，如超标量和超流水线技术。线程级并行同时执行多个线程，如多线程处理器。数据级并行同时处理多个数据元素，如SIMD指令集。任务级并行同时执行多个独立任务，如多核处理器。流水线技术的基本原理1取指从内存中取出指令。2译码解析指令，确定操作类型。3执行执行指令指定的操作。4访存如需要，访问内存。5写回将结果写回寄存器。多核处理器的工作机制并行执行多个核心同时执行不同任务或同一任务的不同部分。共享资源多核间共享某些资源，如最后级缓存和内存控制器。核间通信通过片上网络或共享缓存实现核心之间的数据交换。负载均衡操作系统负责在多核之间合理分配任务。计算机硬件性能评价指标GHz时钟频率CPU每秒钟的周期数，影响指令执行速度。MIPSMIPS每秒执行的百万条指令数，反映整体性能。FLOPSFLOPS每秒执行的浮点运算次数，衡量科学计算能力。GB/s内存带宽内存系统每秒可传输的数据量。计算机系统的发展趋势处理器技术向更高集成度、更低功耗、更多核心方向发展。存储技术发展新型非易失性存储器，如3DXPoint和MRAM。互连技术光互连和无线互连技术的应用，提高数据传输速度。新型计算范式量子计算、神经形态计算等新型计算技术的探索。总结与展望基础知识重要性计算机组成原理是理解现代计算机系统的基石。技术进步处