計(jì)算機(jī)組成原理-第六章

計(jì)算機(jī)組成原理-第六章第六章概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中央處理器存儲器輸入輸出系統(tǒng)總線與通信第六章總結(jié)與展望第六章概述01掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理，包括CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等主要部件的功能和相互作用。理解計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行過程，包括取指、譯碼、執(zhí)行和寫回等階段。了解計(jì)算機(jī)的性能評價指標(biāo)，如CPI、MIPS、FLOPS等，以及提高計(jì)算機(jī)性能的方法。章節(jié)內(nèi)容與目標(biāo)

關(guān)鍵術(shù)語和概念CPU（中央處理器）計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。內(nèi)存用于存儲和訪問數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備，分為RAM和ROM兩種類型。I/O設(shè)備輸入/輸出設(shè)備，用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等。03CPI（每條指令的時鐘周期數(shù)）衡量CPU性能的重要指標(biāo)，表示執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。01指令計(jì)算機(jī)執(zhí)行的基本操作，由操作碼和操作數(shù)組成。02指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需的時間，包括取指、譯碼、執(zhí)行和寫回等階段。關(guān)鍵術(shù)語和概念衡量CPU性能的另一個指標(biāo)，表示每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)。MIPS（百萬條指令每秒）衡量計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算性能的指標(biāo)，表示每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。FLOPS（浮點(diǎn)運(yùn)算每秒）關(guān)鍵術(shù)語和概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)02高級語言級別高級語言是一種面向問題或過程的程序設(shè)計(jì)語言，易于編寫和理解。匯編語言級別匯編語言是一種用助記符表示的、接近于機(jī)器語言的程序設(shè)計(jì)語言。操作系統(tǒng)級別操作系統(tǒng)通過管理硬件和軟件資源，為用戶提供方便易用的接口。微程序機(jī)器級別微指令由硬件直接執(zhí)行，微程序由微指令構(gòu)成，用于描述機(jī)器指令。傳統(tǒng)機(jī)器語言級別用機(jī)器語言編寫的程序可由微程序進(jìn)行解釋。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲器用于存儲數(shù)據(jù)和程序，包括主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外存）。運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，是計(jì)算機(jī)的核心部件之一?？刂破骺刂朴?jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，按照指令的要求完成各種操作。輸入設(shè)備將用戶輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的二進(jìn)制代碼，并送入內(nèi)存。輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果以人們能夠識別的形式表現(xiàn)出來。計(jì)算機(jī)硬件組成系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件支撐軟件嵌入式軟件計(jì)算機(jī)軟件組成01020304包括操作系統(tǒng)、編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，用于管理和控制計(jì)算機(jī)硬件及應(yīng)用軟件。為解決特定問題而開發(fā)的程序，如辦公軟件、圖像處理軟件等。用于支持其他軟件的開發(fā)和維護(hù)的軟件，如軟件開發(fā)工具、軟件測試工具等。嵌入在硬件中的軟件，用于控制、監(jiān)視或輔助硬件設(shè)備的操作和功能。中央處理器03功能中央處理器（CPU）是計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序中的指令，控制計(jì)算機(jī)的各個部件協(xié)調(diào)工作，完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，以及處理計(jì)算機(jī)內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)。組成CPU主要由控制器、運(yùn)算器和寄存器組等部件組成。其中，控制器負(fù)責(zé)指令的取指、譯碼和執(zhí)行等操作；運(yùn)算器負(fù)責(zé)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算；寄存器組則用于暫存數(shù)據(jù)和地址等信息。CPU的功能和組成指令集指令集是CPU能識別的機(jī)器語言指令的集合，不同的CPU有不同的指令集。指令集可分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）兩種類型。體系結(jié)構(gòu)CPU的體系結(jié)構(gòu)是指CPU內(nèi)部各個部件的組織方式和它們之間的互連方式。常見的CPU體系結(jié)構(gòu)有馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)等。指令集體系結(jié)構(gòu)主頻緩存核心數(shù)制程技術(shù)CPU的性能指標(biāo)主頻是指CPU的時鐘頻率，通常以兆赫茲（MHz）或吉赫茲（GHz）表示。主頻越高，CPU處理速度越快。緩存是位于CPU內(nèi)部的高速存儲器，用于暫存數(shù)據(jù)和指令等信息。緩存的大小和速度對CPU的性能有很大影響。核心數(shù)是指CPU內(nèi)部集成的處理器核心數(shù)量。多核心CPU可以同時處理多個任務(wù)，提高計(jì)算機(jī)的并行處理能力。制程技術(shù)是指制造CPU的工藝技術(shù)，它決定了CPU的集成度、功耗和性能等指標(biāo)。制程技術(shù)越先進(jìn)，CPU的性能越高，功耗越低。存儲器04位于CPU內(nèi)部，速度最快，容量最小，用于暫存指令和數(shù)據(jù)。寄存器高速緩存（Cache）主存儲器（內(nèi)存）輔助存儲器（外存）位于CPU和主存之間，速度較快，容量較小，用于緩解CPU和主存之間的速度差異。位于計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)部，速度與CPU相匹配，容量較大，用于存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。位于計(jì)算機(jī)主機(jī)外部，速度較慢，容量很大，用于長期保存信息。存儲器的層次結(jié)構(gòu)可讀可寫，斷電后信息丟失，用于存放臨時數(shù)據(jù)。隨機(jī)存取存儲器（RAM）只讀不寫或不易改寫，斷電后信息不丟失，用于存放固定程序或數(shù)據(jù)。只讀存儲器（ROM）速度快，價格高，容量小，常用于Cache。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）速度較慢，價格較低，容量較大，常用于主存。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）主存儲器利用磁表面存儲信息，具有容量大、價格低、可長期保存信息等優(yōu)點(diǎn)。但存取速度較慢，常用于存放不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)和程序。磁盤存儲器利用激光在光盤表面上讀寫信息，具有容量大、價格低、可長期保存信息等優(yōu)點(diǎn)。但存取速度較慢，常用于備份和存檔。光盤存儲器采用閃存技術(shù)存儲數(shù)據(jù)，具有速度快、無噪音、抗震動等優(yōu)點(diǎn)。但價格較高，容量相對較小。固態(tài)驅(qū)動器（SSD）輔助存儲器輸入輸出系統(tǒng)05如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等，用于實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。人機(jī)交互類設(shè)備存儲設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備如硬盤、U盤、光盤等，用于永久存儲數(shù)據(jù)和程序。如網(wǎng)卡、路由器、交換機(jī)等，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信。030201I/O設(shè)備的類型和特點(diǎn)其他設(shè)備異步性實(shí)時性設(shè)備無關(guān)性I/O設(shè)備的類型和特點(diǎn)如打印機(jī)、掃描儀、攝像頭等，用于實(shí)現(xiàn)特定功能。某些I/O設(shè)備（如音頻、視頻設(shè)備）需要實(shí)時處理數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。I/O設(shè)備的操作通常與CPU的操作不同步，需要專門的I/O控制邏輯來協(xié)調(diào)。操作系統(tǒng)應(yīng)提供一種統(tǒng)一的、設(shè)備無關(guān)的方式來使用和管理各種I/O設(shè)備。解決速度不匹配問題。數(shù)據(jù)緩沖和鎖存功能識別設(shè)備是否被選中。地址譯碼和設(shè)備選擇功能I/O接口的功能和類型命令接收和轉(zhuǎn)換功能將CPU命令轉(zhuǎn)換為具體設(shè)備的操作命令。設(shè)備狀態(tài)識別和報(bào)告功能便于CPU了解設(shè)備的狀態(tài)。I/O接口的功能和類型根據(jù)I/O端口地址空間的管理方式分類。統(tǒng)一編址將I/O端口和內(nèi)存單元統(tǒng)一編址，而獨(dú)立編址則為I/O端口單獨(dú)編址。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞椒诸?。同步接口采用同步控制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而異步接口則采用應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。I/O接口的功能和類型同步接口和異步接口統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址I/O控制方式程序查詢方式CPU通過程序主動查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，若設(shè)備準(zhǔn)備好則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。這種方式簡單但效率低下，因?yàn)镃PU需要不斷輪詢設(shè)備狀態(tài)。中斷控制方式當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，通過中斷請求通知CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種方式提高了CPU的利用率，但需要額外的中斷處理開銷。DMA控制方式在主存和I/O設(shè)備之間設(shè)置一條數(shù)據(jù)通路，使得主存和設(shè)備之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而無需CPU的干預(yù)。這種方式進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。通道控制方式通道是一種特殊的處理機(jī)，專門負(fù)責(zé)管理和控制I/O操作。它可以獨(dú)立于CPU執(zhí)行一系列I/O操作，從而顯著提高了系統(tǒng)的整體性能?？偩€與通信06總線（Bus）定義：總線是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束，按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類，計(jì)算機(jī)的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號?？偩€的概念和類型總線類型根據(jù)連接部件不同，總線可分為片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線和通信總線。系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線或板級總線。因?yàn)樵摽偩€是用來連接微機(jī)各功能部件而構(gòu)成一個完整微機(jī)系統(tǒng)的，所以稱之為系統(tǒng)總線。常用的系統(tǒng)總線有ISA、EISA、PCI等。通信總線又稱外總線或通信線路。用于微機(jī)系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（儀器、儀表、控制裝置等）之間通信的總線，如EIARS-232C、IEEE-488等。片內(nèi)總線芯片內(nèi)部的總線，如在CPU芯片內(nèi)部，寄存器與寄存器之間、寄存器與算邏單元ALU之間都由片內(nèi)總線連接。總線的概念和類型總線通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)在總線上進(jìn)行通信的雙方必須遵守的約定或規(guī)則，包括信息的傳輸方式、傳輸時間、傳輸順序等。總線通信協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)部件之間的互連和通信，需要制定統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)。常見的總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA、EISA、PCI等。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線的電氣特性、機(jī)械特性、功能特性以及傳輸特性等。總線標(biāo)準(zhǔn)總線性能指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)總線寬度指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)，用bit（位）表示，它決定了每次能并行傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，是影響數(shù)據(jù)傳輸速率的重要因素。總線帶寬指單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，通常用每秒傳送信息的字節(jié)數(shù)來衡量，單位可用MB/s（兆字節(jié)每秒）或GB/s（吉字節(jié)每秒）表示。指工作時鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快?？偩€頻率即驅(qū)動能力，指當(dāng)總線接上負(fù)載后，總線輸入輸出的邏輯電平保持在正常的額定范圍內(nèi)時，允許的最大負(fù)載電流?？偩€負(fù)載能力總線性能指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)總線優(yōu)點(diǎn)簡化硬件設(shè)計(jì)：采用總線結(jié)構(gòu)可以大大簡化計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)，便于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，面向總線的微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)只要按照這些規(guī)定制作cpu插件、存儲器插件以及I/O插件等，將它們連入總線就可工作，而不必考慮總線的詳細(xì)操作?？偩€性能指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰。連線少，底板連線可以印制化。簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各功能部件的功能是獨(dú)立的，各部件之間的信息傳送的路徑是確定的而且是唯一的，所以便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新。便于系統(tǒng)擴(kuò)充采用總線結(jié)構(gòu)可以簡化計(jì)算機(jī)的維護(hù)工作，因?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件是模塊化結(jié)構(gòu)，所以只需對出現(xiàn)故障的模塊進(jìn)行維修或者更換即可。便于維護(hù)總線性能指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)利用總線傳送具有分時性當(dāng)有多個主設(shè)備同時申請總線的使用是必須進(jìn)行總線的仲裁?？偩€的帶寬有限如果連接到總線上的某個硬件設(shè)備沒有資源調(diào)控機(jī)制容易造成信息的延時（這在某些即時性強(qiáng)的地方是致命的）。連到總線上的設(shè)備必須有信息的篩選機(jī)制要判斷該信息是否是傳送給自己的。總線性能指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)第六章總結(jié)與展望07123包括微程序級、一般機(jī)器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級等，各層次之間通過接口進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)包括CPU執(zhí)行時間、指令條數(shù)、CPI、MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS等，用于評價計(jì)算機(jī)的性能。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的數(shù)量將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為SISD、SIMD、MISD、MIMD四類。Flynn分類法關(guān)鍵知識點(diǎn)總結(jié)包括定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算方法，以及運(yùn)算器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算包括Cache、主存、輔存等層次的構(gòu)成和原理，以及虛擬存儲器的概念和實(shí)現(xiàn)。存儲器層次結(jié)構(gòu)包括指令格式、尋址方式、指令集的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等。指令系統(tǒng)關(guān)鍵知識點(diǎn)總結(jié)總線包括總線的概念、分類、組成和性能指標(biāo)等。中央處理器包括CPU的功能和組成、指令執(zhí)行過程、控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等。輸入/輸出系統(tǒng)包括I/O接口的功能和類型、I/O控制方式、中斷和DMA技術(shù)等。關(guān)鍵知識點(diǎn)總結(jié)掌握了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)，能夠理解和評價不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)。深入理解了數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算方法，掌握了定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算規(guī)則和運(yùn)算器的設(shè)計(jì)原理。了解了存儲器層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和原理，掌握了Cache、主存和輔存等存儲器的設(shè)計(jì)方法和性能指標(biāo)。章節(jié)內(nèi)容回顧與評估熟悉了指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，掌握了指令格式、尋址方式和指令集的基本原理。了解了總線的概念、分類和組成，掌握了總線的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法。深入理解了中央處理器的功能和組成，掌握了CPU的指令執(zhí)行過程和控制器的設(shè)計(jì)原理。熟悉了輸入/輸出系統(tǒng)的功能和類型，掌握了I/O接口、