计算机组成原理(李小勇)zcyl课件

计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心课程之一。它深入讲解了计算机系统的硬件结构和工作原理，为后续课程打下坚实基础。课程简介课程目标深入理解计算机系统的工作原理，掌握计算机体系结构和组成原理。培养学生对计算机系统的分析能力、设计能力以及解决实际问题的技能。课程内容本课程涵盖计算机系统各个层次的知识，包括数据表示、指令系统、运算器、控制器、存储器、输入输出系统等。重点讲解计算机硬件的组成、工作原理和设计方法。计算机的层次结构硬件层包括各种物理设备，如CPU、内存、硬盘等。软件层包括操作系统、应用软件等，对硬件进行管理和控制。用户层用户直接接触的部分，用于完成特定任务。数据的表示与运算二进制编码计算机使用二进制编码表示数据，每个位只有0或1两种状态。十进制十进制是我们日常使用的计数系统，使用0到9十个数字表示。算术运算计算机执行算术运算，包括加法、减法、乘法和除法，在内部使用二进制进行运算。逻辑运算逻辑运算处理真假值，使用逻辑门，如与门、或门和非门。运算器的组成与工作原理1算术逻辑运算单元(ALU)ALU是运算器的核心，执行算术和逻辑运算，如加减乘除、比较大小、逻辑运算等。它接收来自寄存器的数据，并根据控制信号执行相应的运算，将运算结果输出到寄存器。2寄存器组寄存器组用于存放数据和中间结果，是CPU内部高速存储单元，访问速度快。常用的寄存器包括累加器(AC)、数据寄存器(DR)、地址寄存器(AR)和指令寄存器(IR)等。3数据通路数据通路是ALU、寄存器组和外部存储器之间传输数据的信息通道。它由一系列的连接线和控制逻辑组成，负责数据在运算器内部的流动。控制器的组成与工作原理1指令译码将指令转换成控制信号2指令计数器指向下一条指令地址3时序控制控制CPU各个部件的时序4操作控制根据指令，控制CPU各部件的操作控制器是CPU的核心，负责控制整个计算机系统的运行。它接收指令，并将其译码成控制信号，控制CPU其他部件执行操作。控制器通常由指令译码器、指令计数器、时序控制器和操作控制器组成。存储器的层次结构存储系统通常由多个层次结构组成，每个层次都具有不同的容量、速度和成本。CPU通常使用高速缓存存储器来访问数据，而主存储器则用于存储程序和数据。辅助存储器用于长期保存数据，例如硬盘或固态硬盘。主存储器的基本特性随机访问主存储器中的每个存储单元都有唯一的地址，CPU可以随机访问任意地址的存储单元。易失性主存储器中存储的数据在断电后会丢失。速度快主存储器是CPU直接访问的存储器，速度要比辅助存储器快很多。容量有限主存储器的容量相对较小，价格比较昂贵。ROM和RAM的特点1ROM只读存储器，信息只能读不能写。通常用于存放系统引导程序。2RAM随机存取存储器，信息可读写，可用于存放操作系统、应用程序和数据。3ROM和RAM的区别RAM是易失性的，断电信息丢失，ROM是永久性的，断电信息不会丢失。高速缓存存储器高速缓存存储器(Cache)是位于CPU和主存储器之间的一级存储器。它比主存储器速度快，容量小，价格贵，用于保存主存储器中经常访问的数据。当CPU需要访问数据时，先查找高速缓存，如果命中，则直接读取数据，否则访问主存储器，并将访问的数据存入高速缓存，以便下次访问更快。高速缓存存储器采用局部性原理，即程序访问的指令和数据往往在内存中邻近的位置，因此，高速缓存可以有效提高系统性能。输入输出系统概述输入输出系统是计算机系统与外部世界交互的桥梁。它负责接收来自外部世界的各种信息，并把处理后的信息输出到外部。I/O接口的作用和分类11.连接桥梁I/O接口是CPU与外部设备之间的桥梁，实现数据交互。22.信号转换接口负责将CPU的信号转换为外部设备能够理解的信号。33.协议协调I/O接口负责协调CPU和外部设备之间的通信协议。44.类型划分I/O接口根据功能和用途，可分为并行接口、串行接口、通用接口等。I/O传输方式1程序控制CPU直接控制数据传输2中断I/O设备发出中断信号，CPU响应并处理3DMA直接内存访问，无需CPU参与三种方式的效率和复杂度不同。程序控制方式最简单，但效率最低。中断方式可以提高效率，但仍需要CPU参与。DMA方式效率最高，但实现复杂。选择合适的传输方式取决于系统的性能需求和成本约束。CPU的总线结构CPU的总线结构是指CPU与其他部件之间进行数据传输的通道结构。它负责在CPU、内存和外设之间传递数据、地址和控制信号。总线可以分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传输数据，地址总线用于指定内存地址，控制总线用于控制数据传输方向和操作类型。指令系统概述指令系统概述指令系统是计算机硬件所能执行的指令集合，它是计算机体系结构的重要组成部分。指令集架构指令集架构(ISA)定义了指令格式、寻址方式和数据类型，决定了计算机所能执行的操作。指令的分类指令可以根据操作类型、数据类型和寻址方式进行分类，如数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令等。指令的执行过程取指令CPU从主存储器中取出指令，放到指令寄存器。指令译码CPU对指令进行分析，确定操作码和操作数。取操作数CPU根据指令中操作数的地址，从主存储器中取出操作数。执行指令CPU根据指令的操作码，执行相应的运算或数据传送操作。写回结果CPU将运算结果写入到指定的存储单元。寻址方式的分类立即寻址指令中直接包含操作数，无需再访问内存。速度最快，但灵活性较差。直接寻址指令中给出操作数的地址，直接从内存读取操作数。速度快，但需要预先知道操作数地址。寄存器寻址操作数保存在寄存器中，指令中给出寄存器号，直接从寄存器读取操作数。速度最快，但寄存器数量有限。间接寻址指令中给出的是操作数地址的地址，需要先访问内存获取操作数地址，再根据地址读取操作数。速度较慢，但灵活度高。汇编语言编程概述低级语言汇编语言是一种低级编程语言，它与机器语言非常接近，使用助记符来表示机器指令。直接操控硬件汇编语言可以对硬件进行直接的操作，如访问内存、控制外设等。程序员效率汇编语言的编程效率较低，编写和调试较为困难，但可以提高程序的执行效率。操作系统引言操作系统是计算机系统中最重要的系统软件之一。它负责管理计算机系统的硬件资源，并为用户提供应用程序运行的环境。进程管理进程概念一个正在执行的程序的实例，拥有独立的内存空间和资源。进程是操作系统分配资源的基本单位。进程状态运行态：正在执行指令的进程。就绪态：等待获取CPU的进程。阻塞态：等待某个事件发生的进程。进程控制块记录进程信息的数据结构，包含进程状态、进程ID、内存地址、资源等。存储管理1内存分配存储管理的主要功能是分配和管理内存资源。它决定哪些程序和数据可以放在内存中，以及它们在内存中的位置。2地址映射存储管理负责将逻辑地址转换为物理地址，以便CPU能够访问到实际的内存位置。3内存保护存储管理通过保护机制来防止程序之间互相干扰，并确保程序访问自己分配的内存区域。4内存共享存储管理可以实现多个程序共享内存资源，提高内存利用率。文件管理文件组织将文件按照一定的结构进行组织，方便管理和查找。文件访问控制控制用户对文件的访问权限，保障数据安全。文件共享允许多个用户或程序访问同一个文件。文件备份和恢复定期备份文件，防止数据丢失，并提供恢复机制。操作系统的启动过程1加电自检（POST）系统加电后，BIOS会进行硬件自检，确保硬件正常工作。2加载引导程序BIOS会从硬盘的引导扇区加载引导程序，并将其传递给操作系统。3启动操作系统内核引导程序将控制权交给操作系统内核，内核开始初始化系统，并加载必要的驱动程序。4启动用户界面操作系统内核完成初始化后，会加载用户界面，让用户可以与系统进行交互。计算机系统性能评价计算机系统的性能评价是衡量计算机系统性能的重要指标。主要指标包括CPU性能、存储器性能、I/O性能等。CPU性能指标指标说明主频CPU时钟频率，单位为赫兹(Hz)指令周期CPU执行一条指令所需的时间CPI(每条指令的平均时钟周期数)执行一条指令所需的平均时钟周期数MIPS(每秒百万条指令)CPU每秒钟执行的百万条指令数MFLOPS(每秒百万次浮点运算)CPU每秒钟执行的百万次浮点运算次数系统吞吐量和响应时间系统吞吐量是指系统在单位时间内处理的任务数量，反映了系统的处理能力。响应时间是指系统从用户发出请求到系统完成响应所需要的时间，反映了系统的反应速度。这两个指标是衡量系统性能的重要指标，它们之间存在一定的联系，但也有区别。系统吞吐量越高，说明系统处理能力越强，响应时间越短，说明系统的反应速度越快。在实际应用中，我们往往需要根据具体的应用场景来选择合适的指标。例如，对于实时系统，响应时间是更重要的指标，而对于批处理系统，吞吐量则更为重要。计算机系统的并行性并行处理计算机系统可以同时执行多个任务。提高系统效率，缩短任务完成时间。并行处理类型指令级并行数据级并行任务级并行性能提升的方法优化算法改进算法逻辑，减少计算量，降低时间复杂度，提高效率。硬件升级更换更快的CPU、内