《计算机组成原理》课件

计算机组成原理深入探索计算机的内部结构和工作原理理解CPU、内存、存储器等核心组件如何协同运作作者：课程目标理解计算机工作原理掌握计算机基本组成、工作流程和主要部件的功能。学习计算机语言学习汇编语言、高级语言，掌握计算机程序设计的基本方法。了解计算机网络学习计算机网络的基本概念、协议和应用，掌握网络通信的基本原理。掌握操作系统知识学习操作系统的主要功能、工作原理和常见的操作系统。计算机的基本组成计算机的基本组成包括硬件和软件两部分。硬件是指计算机系统中看得见、摸得着的物理设备，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。软件是指计算机系统中看不见、摸不着的程序和数据，包括系统软件和应用软件。运算器是计算机的核心部件，负责进行算术运算和逻辑运算。控制器是计算机的指挥中心，负责控制计算机各个部件的协调工作。存储器用于存放程序和数据，分为主存储器和辅助存储器。输入设备用于将外部信息输入计算机，如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等。数据表示二进制计算机使用二进制系统表示数据，0和1代表“开”和“关”。字符编码ASCII编码将字符转换为二进制值，方便计算机处理文本信息。十进制十进制是人类常用的计数系统，计算机内部需要将其转换为二进制进行处理。颜色表示RGB模型使用红、绿、蓝三种颜色组合表示颜色，每个颜色值用0-255的二进制值表示。数制转换十进制转二进制将十进制数除以2，记录余数，直到商为0。将所有余数按逆序排列即为二进制数。二进制转十进制将二进制数从右到左依次乘以2的幂，然后相加。例如：1101B=1*2^3+1*2^2+0*2^1+1*2^0=13D。十进制转八进制将十进制数除以8，记录余数，直到商为0。将所有余数按逆序排列即为八进制数。八进制转十进制将八进制数从右到左依次乘以8的幂，然后相加。例如：123O=1*8^2+2*8^1+3*8^0=83D。十进制转十六进制将十进制数除以16，记录余数，直到商为0。将所有余数用0-9和A-F表示，按逆序排列即为十六进制数。十六进制转十进制将十六进制数从右到左依次乘以16的幂，然后相加。例如：1A3H=1*16^2+10*16^1+3*16^0=419D。运算方式1算术运算包括加减乘除等基本运算。这些运算在数据处理、数值计算中发挥着重要作用。2逻辑运算包括与或非等逻辑运算。逻辑运算用于判断条件、控制程序流程，是计算机决策的关键。3移位运算通过移动二进制位来实现数据的快速倍增或缩减，在数据处理和地址计算中有广泛应用。4比较运算比较两个操作数的大小关系，是程序中判断条件、控制分支的依据。存储器存储器是计算机系统中必不可少的组成部分，用于存储数据和程序指令。存储器是计算机系统的“记忆单元”，存储着CPU需要执行的指令和操作的数据，是CPU与外围设备之间进行数据交换的桥梁。计算机存储器分类主存储器主存储器是计算机系统中直接与CPU交互的存储器，用于存放程序和数据。它具有较高的读写速度和较小的容量，通常用半导体材料制作。辅助存储器辅助存储器是用来存放暂时不用的程序和数据的存储器，其容量较大，但速度较慢。它通常用于长期保存数据，比如硬盘、光盘等。高速缓存高速缓存是一种小容量的存储器，用来存放经常访问的数据和指令。它具有极高的读写速度，但价格昂贵，容量较小。寄存器寄存器是CPU内部的一部分，用来存放数据和指令，供CPU直接访问。它具有最快的读写速度，但容量极小。存储器的访问方式1随机访问随机访问存储器(RAM)允许直接访问任何内存位置，无需按顺序访问。2顺序访问顺序访问存储器(SAM)需要从第一个位置开始，按顺序访问内存位置。3直接访问直接访问存储器(DAM)通过特定的地址直接访问内存位置，类似于RAM。CPU结构中央处理器(CPU)是计算机的核心，负责执行指令和处理数据。CPU的结构主要包含：算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器组和高速缓存。算术逻辑单元(ALU)负责执行算术和逻辑运算，例如加减乘除和比较运算。控制单元(CU)负责控制CPU的工作流程，例如读取指令、解码指令、执行指令和写入数据。寄存器组是CPU中高速存储数据的单元，用于存储当前正在处理的数据和指令。高速缓存(Cache)是CPU访问速度最快的存储单元，用于存储常用的数据和指令，以提高CPU的访问效率。指令系统指令集指令集是计算机系统硬件所能理解和执行的指令集合。它定义了计算机的基本操作和功能，并决定了计算机的性能和功能。指令格式指令格式决定了指令的结构，包括操作码、操作数地址、操作数类型等。不同的指令格式对应不同的指令长度和操作数类型。指令类型指令类型根据操作功能分为数据传送指令、算术逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令等，每种指令类型对应不同的操作功能。寻址方式寻址方式是确定操作数地址的方式，不同的寻址方式决定了指令的寻址范围和操作数的获取方式。指令格式操作码指令格式中用于指定操作类型的部分，它决定了指令将执行何种操作。地址码指令格式中用于指定操作数或操作数地址的部分，它指示了操作数在内存中的位置。其他字段指令格式中可能包含的其他字段，例如标志位，用于控制指令执行过程中的某些特殊行为。指令执行过程1取指从存储器中取出指令2译码对指令进行解码，识别操作码和操作数3执行根据指令的操作码，执行相应的操作4写回将执行结果写入存储器或寄存器指令执行过程是一个循环的过程，从取指开始，到写回结束。每个指令的执行过程都要经过这四个步骤。总线体系结构总线是计算机系统中各个部件之间传输信息的公共通路。总线可以分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用于传输数据地址，数据总线用于传输数据，控制总线用于控制数据的传输方向和时序。总线的分类数据总线数据总线用于传输数据，双向传输数据。例如，CPU将数据传送到内存。地址总线地址总线用于指定内存地址，单向传输数据。例如，CPU向内存发送地址，选择要访问的存储单元。控制总线控制总线用于传输控制信号，双向传输数据。例如，CPU向内存发送读/写指令，协调数据传输。输入输出系统输入输出系统是计算机与外部世界交互的桥梁。它负责将外部数据和指令传送到计算机内部进行处理，并将处理结果传送到外部设备。输入输出系统主要由输入输出接口、外围设备和控制系统组成。输入输出接口负责接收来自外围设备的信号，并将其转换为计算机能够识别的信号；外围设备则是与计算机进行数据交互的外部设备，例如键盘、鼠标、显示器等；控制系统则负责协调输入输出设备的工作。输入输出接口接口功能数据缓冲地址译码数据格式转换接口类型并行接口串行接口通用串行总线（USB）接口设计考虑数据传输速率、信号类型、控制方式等因素。外围设备输入设备输入设备将信息从外部世界传输到计算机系统，例如键盘、鼠标、扫描仪。输出设备输出设备将计算机处理后的信息转换为人类可理解的形式，例如显示器、打印机。控制系统中央处理器(CPU)计算机的核心，负责执行指令，控制数据流，是计算机的控制中心。控制单元从内存中取出指令，并解释指令的含义，向其他部件发出控制信号，指挥计算机运行。运算器负责执行算术运算和逻辑运算，对数据进行加工处理。时钟电路为整个计算机系统提供同步节拍，协调各个部件的运作。微程序控制11.微程序定义微程序是一组存储在控制存储器中的指令，用于实现CPU的控制功能。22.微指令微指令由操作码、地址字段和条件码等组成，用于控制CPU的各个部件。33.微程序控制器微程序控制器是微程序控制器的核心，负责解释微指令并控制CPU的各个部件工作。44.优点微程序控制具有灵活性高、易于修改和扩展的优点，适合于实现复杂指令集的CPU。流水线技术1指令流水线将指令执行过程分解成多个子步骤2流水线操作多个指令同时在流水线中执行3提高效率缩短程序执行时间流水线技术是一种将指令执行过程分解成多个子步骤，并使多个指令在流水线中同时执行的技术。这种技术可以显著提高计算机系统的吞吐量和效率。并行处理提高效率利用多个处理单元同时执行任务，提高处理速度，缩短执行时间。增强性能多核处理器能够同时执行多个任务，提升系统整体的处理能力。降低成本通过并行处理，可以降低系统对硬件资源的需求，从而降低成本。超标量处理技术并行执行超标量处理技术可以同时执行多条指令，显著提高处理器性能。流水线超标量处理器通常结合流水线技术，进一步提升效率。指令调度复杂指令调度算法保证指令的顺序执行，避免资源冲突。内存层次结构内存层次结构是一种优化内存访问速度的策略。它将不同速度和容量的存储器分层组织，利用高速缓存技术，将常用的数据缓存在更快的存储器中。这使得CPU可以更快地访问数据，提高计算机整体性能。这种分层结构通常包括高速缓存、主内存和辅助存储器。高速缓存技术11.提高速度缓存存储速度快于主存，用于存储经常访问的数据和指令，缩短访问时间。22.缓存命中当CPU需要的数据或指令存在于缓存中，称为缓存命中，可直接从缓存读取数据。33.缓存不命中当CPU需要的数据或指令不在缓存中，称为缓存不命中，需要从主存读取数据并存入缓存。44.缓存管理缓存管理策略决定了如何将数据放入缓存，如何从缓存中淘汰数据，影响缓存效率。虚拟存储器虚拟内存虚拟内存是计算机系统中的一种技术，它允许程序使用比物理内存更大的地址空间。虚拟内存通过将程序代码和数据存储在硬盘上，并在需要时将其加载到内存中来实现。分页分页是一种虚拟内存管理技术，它将虚拟内存划分为固定大小的页面，并将这些页面映射到物理内存中的框架。当程序需要访问某个页面时，操作系统会检查该页面是否已经在内存中，如果不在，就会从磁盘上加载该页面到内存中。计算机性能评价性能指标性能指标性能指标计算机性能评价是衡量计算机系统效率的指标。常用的指标包括CPU性能、内存容量、硬盘速度、显卡性能等。发展趋势11.云计算云计算将成为主流趋势，提供弹性和可扩展的计算资源。22.人工智能人工智能将继续发展，并应用于更多领域，例如自动驾驶和机器学习。33.量子计算量子计算将突破传统计算