計組第0章-1課程

計組第0章1課程目錄計算機(jī)系統(tǒng)概述數(shù)字邏輯基礎(chǔ)微處理器與中央處理器存儲器與存儲系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)與總線計算機(jī)系統(tǒng)性能評價與優(yōu)化01計算機(jī)系統(tǒng)概述計算機(jī)的發(fā)展歷程第一代計算機(jī)（1946-1957）電子管時代，體積龐大且耗電量高，主要用于軍事和科研領(lǐng)域。第二代計算機(jī)（1958-1964）晶體管時代，體積縮小且性能提升，開始應(yīng)用于商業(yè)和科學(xué)計算。第三代計算機(jī)（1965-1970）集成電路時代，進(jìn)一步提高了性能和可靠性，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。第四代計算機(jī)（1971年至今）超大規(guī)模集成電路和微處理器時代，計算機(jī)性能飛速提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，是計算機(jī)的物理基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、編譯器等，應(yīng)用軟件如辦公軟件、游戲等，是計算機(jī)的功能擴(kuò)展。軟件系統(tǒng)計算機(jī)處理的對象，包括數(shù)字、文字、圖像、音頻和視頻等。數(shù)據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)的組成存儲程序原理二進(jìn)制運(yùn)算指令系統(tǒng)中斷機(jī)制計算機(jī)的工作原理01020304計算機(jī)將程序和數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，CPU按照程序中的指令順序執(zhí)行操作。計算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)制進(jìn)行運(yùn)算和存儲，具有簡單可靠、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。計算機(jī)指令是控制計算機(jī)操作的命令，指令系統(tǒng)決定了計算機(jī)的基本功能和性能。計算機(jī)在執(zhí)行程序過程中，可以通過中斷機(jī)制暫停當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行更為緊急的任務(wù)。02數(shù)字邏輯基礎(chǔ)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制與編碼基于0-9十個數(shù)字的數(shù)制，逢十進(jìn)一?；?-9和A-F十六個數(shù)字的數(shù)制，逢十六進(jìn)一，常用于表示計算機(jī)中的數(shù)據(jù)和地址?；?和1兩個數(shù)字的數(shù)制，逢二進(jìn)一，是計算機(jī)內(nèi)部使用的數(shù)制。掌握不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換方法，如二進(jìn)制與十進(jìn)制、十六進(jìn)制與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。了解邏輯變量的概念及邏輯函數(shù)的表示方法。邏輯變量與邏輯函數(shù)掌握與、或、非三種基本邏輯運(yùn)算及其性質(zhì)?；具壿嬤\(yùn)算了解由基本邏輯運(yùn)算組合而成的復(fù)合邏輯運(yùn)算，如與非、或非、異或等。復(fù)合邏輯運(yùn)算熟悉邏輯代數(shù)的常用公式和定理，如德摩根定律、吸收律等。邏輯代數(shù)公式和定理邏輯代數(shù)基礎(chǔ)了解各種門電路（與門、或門、非門等）的工作原理和特性。門電路組合邏輯電路時序邏輯電路基礎(chǔ)掌握組合邏輯電路的分析和設(shè)計方法，如編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等。了解時序邏輯電路的基本概念和工作原理，為后續(xù)章節(jié)打下基礎(chǔ)。030201門電路與組合邏輯電路03微處理器與中央處理器

微處理器概述微處理器的定義微處理器是一種集成電路芯片，它包含了運(yùn)算器、控制器等計算機(jī)核心部件，具有執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)等功能。微處理器的發(fā)展歷程從早期的4位、8位微處理器，到現(xiàn)代的32位、64位微處理器，微處理器的性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域微處理器廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、手機(jī)、平板電腦、智能家居等領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心部件之一。中央處理器的組成中央處理器（CPU）主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器等組成，其中運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，控制器負(fù)責(zé)控制指令的執(zhí)行流程，寄存器用于暫存數(shù)據(jù)和指令。中央處理器的功能中央處理器是計算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)、控制計算機(jī)的運(yùn)行等。它具有高速運(yùn)算、精確控制、多任務(wù)處理等功能，直接影響計算機(jī)的性能和效率。中央處理器的性能指標(biāo)中央處理器的性能指標(biāo)主要包括主頻、緩存容量、核心數(shù)量、線程數(shù)量等。主頻越高，處理器運(yùn)算速度越快；緩存容量越大，處理器處理數(shù)據(jù)的效率越高；核心數(shù)量和線程數(shù)量越多，處理器處理多任務(wù)的能力越強(qiáng)。中央處理器的組成和功能指令系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)是計算機(jī)硬件和軟件之間的接口，它規(guī)定了計算機(jī)執(zhí)行各種操作所使用的指令格式和編碼方式。不同的計算機(jī)架構(gòu)和操作系統(tǒng)可能使用不同的指令系統(tǒng)。尋址方式分類尋址方式是指令系統(tǒng)中用于確定操作數(shù)地址的方法。常見的尋址方式包括立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等。不同的尋址方式具有不同的特點(diǎn)和適用場景。指令系統(tǒng)與尋址方式的關(guān)系指令系統(tǒng)和尋址方式是密切相關(guān)的。指令系統(tǒng)定義了計算機(jī)可以執(zhí)行的操作和指令格式，而尋址方式則用于確定操作數(shù)的地址。在編寫程序時，需要根據(jù)具體的指令系統(tǒng)和尋址方式來選擇合適的指令和操作數(shù)訪問方式。指令系統(tǒng)與尋址方式04存儲器與存儲系統(tǒng)存儲器的定義01存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。存儲器的分類02按存儲介質(zhì)可分為半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器等；按存取方式可分為隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、順序存取存儲器（SAM）和直接存取存儲器（DAM）等。存儲器的層次結(jié)構(gòu)03包括寄存器、高速緩存（Cache）、主存儲器和輔助存儲器等層次，各層次之間通過一定的映射和管理策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問和存儲。存儲器概述主存儲器是計算機(jī)內(nèi)存中的主要部分，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，直接與CPU交換信息。一般由存儲體、地址譯碼器、驅(qū)動電路、讀寫電路和時序控制電路等組成。其中，存儲體用于存儲二進(jìn)制信息；地址譯碼器用于將CPU送來的地址譯為選中存儲單元的信號；驅(qū)動電路用于放大CPU送來的讀/寫信號，以驅(qū)動存儲器的讀/寫操作；讀寫電路用于數(shù)據(jù)的寫入和讀出；時序控制電路用于產(chǎn)生存儲器操作所需的時序信號。當(dāng)CPU要訪問主存時，首先通過地址總線將地址信息送到地址譯碼器進(jìn)行譯碼，選中相應(yīng)的存儲單元。然后，根據(jù)CPU發(fā)出的讀/寫命令，通過數(shù)據(jù)總線與存儲單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在數(shù)據(jù)交換過程中，需要時序控制電路的配合，以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。主存儲器的定義主存儲器的組成主存儲器的工作原理主存儲器的組成和原理輔助存儲器的類型和工作原理輔助存儲器的定義：輔助存儲器是計算機(jī)外部存儲設(shè)備，用于長期保存大量信息，不直接與CPU交換數(shù)據(jù)，通常通過I/O通道與主存交換數(shù)據(jù)。輔助存儲器的類型：常見的輔助存儲器有硬盤、軟盤、光盤、U盤和SD卡等。其中，硬盤具有容量大、速度快、價格適中等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最廣泛的輔助存儲器之一；軟盤雖然容量較小、速度較慢，但價格便宜、易于攜帶，在某些場合仍有一定的應(yīng)用價值；光盤具有容量大、價格低、易于保存和攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適用于多媒體信息的存儲和傳播；U盤和SD卡等閃存盤具有體積小、重量輕、即插即用等優(yōu)點(diǎn)，適用于移動辦公和數(shù)碼設(shè)備等場合。輔助存儲器的工作原理：不同類型的輔助存儲器工作原理有所不同。例如，硬盤采用磁表面存儲技術(shù)，通過磁頭在盤片表面的磁性材料上寫入或讀取二進(jìn)制信息；軟盤也采用磁表面存儲技術(shù)，但其盤片較軟且可以更換；光盤采用光存儲技術(shù)，通過激光束在光盤表面的光敏材料上寫入或讀取信息；U盤和SD卡等閃存盤則采用半導(dǎo)體存儲技術(shù)，通過控制柵極電壓來改變MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)對二進(jìn)制信息的寫入或讀取。05輸入輸出系統(tǒng)與總線03輸入輸出系統(tǒng)的組成輸入輸出系統(tǒng)通常由輸入/輸出設(shè)備、接口電路、設(shè)備驅(qū)動程序和中斷處理程序等組成。01輸入輸出系統(tǒng)的定義輸入輸出系統(tǒng)是計算機(jī)中用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)，它提供了計算機(jī)與外部世界之間的接口。02輸入輸出系統(tǒng)的功能輸入輸出系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制、錯誤檢測和報告等。輸入輸出系統(tǒng)概述總線的分類根據(jù)傳輸信息的不同，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三種類型?？偩€的概念總線是計算機(jī)內(nèi)部各部件之間傳輸信息的公共通道，它用于連接計算機(jī)中的各個部件，如處理器、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等?？偩€的標(biāo)準(zhǔn)為了確保不同廠商生產(chǎn)的計算機(jī)部件能夠相互兼容和通信，制定了多種總線標(biāo)準(zhǔn)，如ISA總線、PCI總線、USB總線等?？偩€的概念、分類及標(biāo)準(zhǔn)常見的輸入輸出設(shè)備及其工作原理鍵盤：鍵盤是最常見的輸入設(shè)備之一，它通過按鍵的按下和釋放來輸入字符和命令。鍵盤的工作原理是將按鍵的按下和釋放轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，然后傳輸給計算機(jī)進(jìn)行處理。鼠標(biāo)：鼠標(biāo)是另一種常見的輸入設(shè)備，它通過移動鼠標(biāo)光標(biāo)和點(diǎn)擊按鈕來輸入命令和數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)的工作原理是利用光電或機(jī)械傳感器檢測鼠標(biāo)的移動和按鈕的按下，然后將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給計算機(jī)。顯示器：顯示器是常見的輸出設(shè)備之一，它將計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)以圖像或文字的形式顯示出來。顯示器的工作原理是將計算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過顯示屏幕呈現(xiàn)出來。打印機(jī)：打印機(jī)是另一種常見的輸出設(shè)備，它將計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)以紙質(zhì)文檔的形式輸出。打印機(jī)的工作原理是將計算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為打印頭上的點(diǎn)陣或噴墨等物理形式，然后在紙張上打印出相應(yīng)的文字和圖像。06計算機(jī)系統(tǒng)性能評價與優(yōu)化性能評價的方法和指標(biāo)基準(zhǔn)測試通過運(yùn)行一系列標(biāo)準(zhǔn)化的測試程序，測量計算機(jī)系統(tǒng)的性能。常見的基準(zhǔn)測試包括CPU性能測試、內(nèi)存性能測試、磁盤性能測試等。吞吐量指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理請求的能力，通常以每秒處理請求數(shù)（TPS）或每秒傳輸數(shù)據(jù)量（TPS）來衡量。響應(yīng)時間指從用戶發(fā)出請求到系統(tǒng)做出響應(yīng)所需的時間。對于交互式系統(tǒng)，響應(yīng)時間是一個重要的性能指標(biāo)。資源利用率包括CPU利用率、內(nèi)存利用率、磁盤利用率等，反映系統(tǒng)資源的利用情況。通過對算法進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化，提高程序的執(zhí)行效率。算法優(yōu)化系統(tǒng)資源調(diào)優(yōu)并行計算緩存優(yōu)化根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和資源使用情況，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)資源的分配和管理策略，以提高系統(tǒng)性能。利用多核CPU或分布式計算環(huán)境，將任務(wù)劃分為多個子任務(wù)并行處理，以提高計算速度。通過合理利用緩存技術(shù)，減少磁盤I/O操作和網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，提高系統(tǒng)性能。系統(tǒng)優(yōu)化的策略和方法隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)需