《计算机组成原理》课件

计算机组成原理本课件将带您深入了解计算机系统的核心组成部分，探索从数据表示到指令执行的奥秘。计算机系统概述硬件包括CPU、内存、存储器、输入输出设备等。软件包括操作系统、应用程序、驱动程序等。数据的表示1进制转换了解不同进制之间的转换方法，如十进制、二进制、八进制、十六进制。2编码方式学习常用的编码方式，例如ASCII、Unicode、BCD码等。3数据类型掌握整数、浮点数、字符等基本数据类型的表示方式。数字逻辑电路基本逻辑门了解与门、或门、非门、异或门等基本逻辑门的特性和功能。组合逻辑电路学习组合逻辑电路的设计方法，例如加法器、译码器、编码器等。时序逻辑电路了解时序逻辑电路的设计方法，例如计数器、寄存器等。存储器主存储器用于存放正在运行的程序和数据，速度快、容量小、价格高。辅助存储器用于长期保存数据，速度慢、容量大、价格低。高速缓存用于存放经常访问的数据，速度更快、容量更小。CPU结构1控制单元负责控制指令的执行流程，协调各个部件的工作。2运算单元负责执行算术运算、逻辑运算等操作。3寄存器组用于存放中间运算结果、指令地址等临时数据。指令系统指令格式了解指令的组成结构，包括操作码、操作数等。寻址方式学习不同的寻址方式，例如立即寻址、寄存器寻址、直接寻址等。指令类型掌握数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令等不同指令类型。总线系统1总线概念2总线类型3总线结构4总线控制输入输出系统1I/O设备输入设备：键盘、鼠标等。输出设备：显示器、打印机等。2I/O接口连接I/O设备和计算机系统之间的桥梁，进行数据转换和信号控制。3I/O控制方法了解程序控制I/O、中断控制I/O、DMA控制I/O等方法。中断机制1中断源触发中断的事件，例如键盘输入、磁盘读写完成等。2中断处理操作系统接管控制权，处理中断事件。3中断返回返回中断前的程序，继续执行。计算机性能评价CPU性能评价指标：主频、指令集、缓存大小等。内存性能评价指标：带宽、延迟、容量等。磁盘性能评价指标：传输速率、访问时间、容量等。计算机硬件发展趋势数值运算整数运算了解定点整数的表示方法，掌握加减乘除等基本运算。浮点数运算学习浮点数的表示方法，掌握浮点数加减乘除等运算。计数器和寄存器1计数器用于计数，例如程序计数器、指令计数器。2寄存器用于临时存储数据，例如通用寄存器、状态寄存器。存储器层次结构一级缓存速度最快、容量最小，用于存放最常访问的数据。二级缓存速度较快、容量中等，用于存放一级缓存中没有的数据。三级缓存速度较慢、容量最大，用于存放二级缓存中没有的数据。缓存技术缓存一致性确保多个缓存之间数据的一致性，避免数据冲突。缓存替换策略当缓存满时，选择淘汰哪些数据，常用的策略有LRU、FIFO等。缓存命中率评价缓存性能的重要指标，表示缓存中命中的比例。CPU流水线1流水线概念2流水线阶段3流水线性能4流水线冲突超标量处理器1超标量概念2指令调度3数据依赖指令级并行1指令流水线2超标量技术3多核处理器数据级并行向量处理器同时处理多个数据元素。SIMD指令集使用单条指令操作多个数据。内存管理内存分配管理内存空间的分配和回收，保证程序正常运行。内存保护防止不同程序之间相互干扰，保证系统安全稳定。虚拟存储器1分页系统将内存空间划分为固定大小的页面，实现虚拟内存到物理内存的映射。2分段系统将程序划分为逻辑段，每个段都有独立的地址空间。设备控制设备驱动程序负责管理和控制具体设备，提供统一的接口。设备控制器负责控制设备的操作，与设备进行数据交换。I/O中断当设备完成操作时，向CPU发送中断信号，通知CPU进行处理。中断处理1中断向量表2中断服务程序3中断返回I/O系统性能分析1数据传输速率2访问时间3I/O利用率DMA1DMA概念直接内存访问，允许I/O设备直接访问内存，无需CPU干预。2DMA控制器负责管理DMA操作，控制数据传输过程。3DMA优点提高I/O效率，减轻CPU负担。并行处理架构多核处理器在一个芯片上集成多个CPU核心，提高计算能力。集群系统将多个独立的计算机系统连接在一起，形成一个高性能计算平台。并行编程模型线程模型使用线程来并发执行任务，例如多线程编程。消息传递模型使用消息传递机制在不同进程之间进