《计算机组成原理》课件

计算机组成原理本课程将深入探讨计算机系统的内部结构，帮助您理解计算机工作原理，并为后续学习计算机相关课程打下坚实基础。课程简介目标理解计算机硬件系统的基本组成和工作原理，并掌握计算机系统设计和性能分析的基本方法。内容本课程涵盖计算机硬件系统各个方面，包括数据表示、算术逻辑运算、存储器系统、中央处理器、输入输出系统等。计算机硬件结构概述冯·诺依曼结构现代计算机的核心结构，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。数据通路连接各部件之间的通路，负责数据在各个部件之间的传输和交换。控制通路负责控制各部件的操作，根据指令执行流程控制数据流向和运算操作。数据表示进制转换十进制、二进制、八进制、十六进制之间的相互转换。数据编码字符编码（ASCII、Unicode）、数值编码（原码、反码、补码）。浮点数表示科学计数法表示实数，包含符号位、阶码和尾数。算术逻辑运算加减运算二进制加减运算，溢出处理。逻辑运算与、或、非、异或等逻辑运算。移位运算算术移位、逻辑移位，用于快速乘除运算。存储器系统1主存储器：直接与CPU交换数据的内存，容量有限，速度快。2辅助存储器：容量大、速度慢，用于长期保存数据，如硬盘、光盘等。3高速缓存：位于主存储器和CPU之间，容量小、速度极快，用于存储最常用的数据。存储器层次结构1高速缓存2主存储器3辅助存储器存储器访问技术随机访问每个存储单元都可以直接访问，访问时间相同。顺序访问数据按顺序存储和访问，访问时间取决于数据位置。直接访问数据存储在特定地址，可通过地址直接访问。输入输出系统1输入设备将外部信息输入到计算机系统，如键盘、鼠标、扫描仪等。2输出设备将计算机处理结果输出到外部，如显示器、打印机、音响等。总线系统1数据总线传输数据信号。2地址总线传输地址信号，用于指定数据传输的目标位置。3控制总线传输控制信号，用于协调各部件之间的操作。中央处理器运算器执行算术逻辑运算，负责数据的处理。控制器控制计算机系统各个部件的操作，协调数据流向。高速缓存用于存储最常用的数据，提高CPU访问速度。指令系统指令格式指令的组成形式，包括操作码、地址码等。指令类型数据传送指令、算术逻辑指令、控制转移指令等。寻址方式指令中地址码的表示方式，如立即寻址、直接寻址、间接寻址等。指令执行方式取指令从存储器中取出指令。译码分析指令的操作码，确定指令类型和操作数。执行根据指令类型执行相应的操作。写回将运算结果写入存储器或寄存器。微程序控制1使用微程序存储指令的控制信号，由微程序控制器控制指令执行。2微程序是一种以微指令的形式描述计算机操作的程序，用于控制计算机系统。3微程序控制提供了一种灵活可扩展的指令控制方式，有利于实现复杂指令和系统扩展。流水线技术指令流水线将指令执行过程分解成多个阶段，各阶段并行执行，提高指令执行效率。数据冒险流水线执行过程中，由于数据依赖关系导致的指令执行延迟。控制冒险流水线执行过程中，由于指令分支导致的指令执行延迟。超标量技术1多个执行单元同时执行多条指令，进一步提高指令执行效率。2指令调度对指令进行优化排序，最大程度地利用执行单元。3数据依赖分析避免数据冒险，保证指令执行的正确性。并行处理技术多核技术在一个芯片上集成多个CPU内核，提高计算机的处理能力。集群技术将多个计算机系统连接起来，共同完成一项任务，提高系统性能。存储器管理内存分配将程序和数据加载到内存，为程序执行提供空间。内存保护防止程序访问其他程序或操作系统的数据，保证系统安全。虚拟内存将部分数据存储在磁盘上，通过分页或分段技术实现虚拟地址到物理地址的映射。中断与异常处理中断外部事件或异常情况发生时，CPU会暂停当前程序执行，转而执行中断处理程序。异常程序执行过程中发生的错误，如除零错误、非法指令等。中断处理程序用于处理中断或异常，恢复系统正常运行。输入输出设备1键盘输入字符和命令。2鼠标控制光标，选择和操作对象。3显示器显示计算机处理结果。4打印机将数据打印在纸上。输入输出接口数据缓冲区用于暂存数据，协调CPU和I/O设备的速度差异。控制寄存器用于控制I/O设备的操作，如启动、停止、状态查询等。状态寄存器用于反映I/O设备的状态，如忙、空闲等。输入输出控制1程序控制方式：CPU直接控制I/O设备的操作，效率较低。2中断控制方式：I/O设备完成操作后，通过中断信号通知CPU。3DMA控制方式：由DMA控制器直接控制I/O设备数据传输，提高效率。计算机性能评价指令执行速度衡量CPU处理指令的能力。存储器访问速度衡量存储器读取和写入数据的能力。吞吐量衡量计算机系统在单位时间内处理数据的能力。计算机系统设计需求分析确定系统目标和功能要求。系统设计设计系统架构，选择硬件和软件组件。系统实现编写代码，组装硬件，测试和调试系统。计算机性能分析性能指标CPU利用率、内存使用率、磁盘I/O速度等。性能测试使用测试工具模拟真实应用场景，评估系统性能。性能优化分析性能瓶颈，改进系统设计，提高系统效率。计算机系统软硬件协同设计操作系统提供系统资源管理、进程管理、内存管理等功能。驱动程序控制和管理硬件设备，实现硬件和软件的协同工作。应用软件利用硬件和操作系统提供的功能，实现特定功能。计算机系统发展趋势1云计算2移动计算3人工智能4物联网课程总结计算机组成原理是理解计算机系统工作原理的基础。课程内容涵盖计算机硬件系统的各个方面。学习目标