計(jì)算機(jī)組成原理袁春風(fēng)chap3homework

計(jì)算機(jī)組成原理[袁春風(fēng)]chap3homework目錄計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算存儲(chǔ)系統(tǒng)指令系統(tǒng)中央處理器輸入輸出系統(tǒng)01計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述包括中央處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，是計(jì)算機(jī)的物理基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計(jì)算機(jī)的靈魂，控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源。是計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象，包括數(shù)值數(shù)據(jù)、非數(shù)值數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等。030201計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程第一代計(jì)算機(jī)（1946-1957）電子管時(shí)代，采用電子管作為基本元件，體積大、功耗高、可靠性差。第二代計(jì)算機(jī)（1958-1964）晶體管時(shí)代，采用晶體管作為基本元件，體積縮小、功耗降低、可靠性提高。第三代計(jì)算機(jī)（1965-1970）中小規(guī)模集成電路時(shí)代，采用中小規(guī)模集成電路作為基本元件，進(jìn)一步提高了計(jì)算機(jī)的性能和可靠性。第四代計(jì)算機(jī)（1971年至今）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時(shí)代，采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路作為基本元件，使得計(jì)算機(jī)的性能和可靠性得到了極大的提升。運(yùn)算速度單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的條數(shù)，用MIPS（百萬條指令/秒）或GFLOPS（十億次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒）來衡量。包括內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器的容量，內(nèi)存儲(chǔ)器容量用字節(jié)（Byte）為單位來衡量，外存儲(chǔ)器容量用位（Bit）為單位來衡量。指計(jì)算機(jī)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，用平均無故障時(shí)間（MTBF）來衡量。指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的概率，用可用度（A）來衡量。指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠迅速恢復(fù)正常運(yùn)行的能力，用平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）來衡量。存儲(chǔ)容量可用性可維護(hù)性可靠性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)02數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算用符號(hào)位和數(shù)值位直接表示數(shù)據(jù)，符號(hào)位為0表示正數(shù)，為1表示負(fù)數(shù)，數(shù)值位為數(shù)據(jù)的絕對(duì)值。原碼表示法正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其原碼按位取反后加1。補(bǔ)碼表示法解決了原碼表示法中加減運(yùn)算復(fù)雜的問題。補(bǔ)碼表示法正數(shù)的反碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼為其原碼按位取反。反碼表示法作為求補(bǔ)碼的中間過渡，用于將減法轉(zhuǎn)換為加法。反碼表示法將數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼符號(hào)位取反得到移碼。移碼表示法常用于浮點(diǎn)數(shù)的階碼表示，使得浮點(diǎn)數(shù)的比較和排序更加方便。移碼表示法數(shù)據(jù)的表示方法定點(diǎn)運(yùn)算參與運(yùn)算的數(shù)均為定點(diǎn)數(shù)，包括定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)。定點(diǎn)運(yùn)算主要包括定點(diǎn)加減、定點(diǎn)乘法和定點(diǎn)除法。浮點(diǎn)運(yùn)算參與運(yùn)算的數(shù)均為浮點(diǎn)數(shù)，浮點(diǎn)運(yùn)算遵循IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，主要包括浮點(diǎn)加減、浮點(diǎn)乘法和浮點(diǎn)除法。浮點(diǎn)運(yùn)算需要考慮對(duì)階、尾數(shù)運(yùn)算、規(guī)格化和舍入等問題。數(shù)據(jù)的運(yùn)算方法包括算術(shù)邏輯單元（ALU）、寄存器組、數(shù)據(jù)總線等部分。ALU負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，寄存器組用于暫存操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果，數(shù)據(jù)總線用于在運(yùn)算器和其他部件之間傳輸數(shù)據(jù)。運(yùn)算器的基本組成根據(jù)指令的操作碼和操作數(shù)地址，從內(nèi)存中讀取操作數(shù)到寄存器組中，然后送至ALU進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果再送回寄存器組或存入內(nèi)存中。在運(yùn)算過程中，還需要考慮溢出、中斷等異常情況的處理。運(yùn)算器的工作原理運(yùn)算器的組成與工作原理03存儲(chǔ)系統(tǒng)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(chǔ)器（內(nèi)存）輔助存儲(chǔ)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)。位于主機(jī)外部，速度較慢，容量很大，用于長(zhǎng)期保存信息。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)體、地址譯碼器、讀寫電路、控制邏輯等。主存儲(chǔ)器的工作原理當(dāng)CPU執(zhí)行程序時(shí)，通過地址總線將地址信息送到地址譯碼器，地址譯碼器將地址信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的選擇信號(hào)，讀寫電路根據(jù)控制信號(hào)對(duì)選中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作。主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間、存儲(chǔ)周期、存儲(chǔ)器帶寬等。主存儲(chǔ)器的組成與工作原理輔助存儲(chǔ)器的基本組成01磁表面存儲(chǔ)器（如磁盤、磁帶）、光表面存儲(chǔ)器（如光盤）等。輔助存儲(chǔ)器的工作原理02以磁表面存儲(chǔ)器為例，其記錄信息的方式是通過改變磁介質(zhì)上的磁場(chǎng)方向來表示二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”。讀寫磁頭在磁盤表面移動(dòng)，通過感應(yīng)電流的變化來讀取或?qū)懭胄畔?。輔助存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)03記錄密度、存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)傳輸率、尋址時(shí)間等。輔助存儲(chǔ)器的組成與工作原理04指令系統(tǒng)指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指明指令要完成的操作，地址碼則給出操作數(shù)或操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址。包括立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等多種方式。不同的尋址方式對(duì)應(yīng)不同的指令格式和操作方法。指令格式與尋址方式尋址方式指令格式算術(shù)運(yùn)算類指令用于進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，如ADD、SUB、MUL、DIV等。程序控制類指令用于改變程序執(zhí)行流程，如條件轉(zhuǎn)移指令、無條件轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令和返回指令等。邏輯運(yùn)算類指令用于進(jìn)行邏輯運(yùn)算，如AND、OR、NOT等。數(shù)據(jù)傳送類指令用于在存儲(chǔ)器和寄存器之間傳送數(shù)據(jù)，如LOAD、STORE等。指令的分類與功能指令的執(zhí)行過程取指周期從內(nèi)存中取出指令并放入指令寄存器中。執(zhí)行周期根據(jù)分析結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果是訪存指令，則需要訪問內(nèi)存；如果是寄存器操作，則直接在寄存器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送或運(yùn)算。分析周期對(duì)取出的指令進(jìn)行分析，確定操作碼和操作數(shù)。中斷周期在執(zhí)行過程中，如果出現(xiàn)中斷請(qǐng)求，則進(jìn)入中斷周期，保存現(xiàn)場(chǎng)并轉(zhuǎn)向中斷處理程序。中斷處理結(jié)束后，再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)并繼續(xù)執(zhí)行原程序。05中央處理器CPU主要由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，其中控制器負(fù)責(zé)指令的取指、譯碼和執(zhí)行，運(yùn)算器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，寄存器用于暫存數(shù)據(jù)和指令。組成CPU的工作原理可以概括為取指、譯碼、執(zhí)行和寫回四個(gè)階段。在取指階段，CPU從內(nèi)存中讀取指令；在譯碼階段，將指令翻譯成機(jī)器可以執(zhí)行的微操作；在執(zhí)行階段，根據(jù)微操作執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算或數(shù)據(jù)傳輸；在寫回階段，將運(yùn)算結(jié)果寫回寄存器或內(nèi)存。工作原理CPU的組成與工作原理性能指標(biāo)CPU的性能指標(biāo)主要包括主頻、外頻、倍頻、緩存容量、核心數(shù)、線程數(shù)等。主頻越高，CPU處理速度越快；緩存容量越大，CPU訪問數(shù)據(jù)的速度越快；核心數(shù)和線程數(shù)越多，CPU的并行處理能力越強(qiáng)。優(yōu)化方法為了提高CPU的性能，可以采用多種優(yōu)化方法，如采用更先進(jìn)的制造工藝、設(shè)計(jì)更高效的微架構(gòu)、增加緩存容量、提高主頻等。此外，還可以采用多核技術(shù)、超線程技術(shù)等并行處理技術(shù)來提高CPU的并行處理能力。CPU的性能指標(biāo)與優(yōu)化方法VS隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)CPU的性能和功耗提出了更高的要求。未來CPU的發(fā)展趨勢(shì)將包括更高的主頻、更大的緩存容量、更多的核心數(shù)和線程數(shù)、更低的功耗等。同時(shí)，隨著光計(jì)算、生物計(jì)算和量子計(jì)算等新型計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，未來CPU的形態(tài)和計(jì)算方式也可能發(fā)生根本性的變化。挑戰(zhàn)在實(shí)現(xiàn)CPU高性能的同時(shí)，也面臨著多種挑戰(zhàn)，如制造工藝的物理極限、散熱問題、安全問題等。此外，隨著摩爾定律的失效和硬件行業(yè)的變革，傳統(tǒng)CPU廠商需要不斷創(chuàng)新和突破才能保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。發(fā)展趨勢(shì)CPU的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)06輸入輸出系統(tǒng)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)備如硬盤、U盤、光盤等，用于保存和讀取數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)設(shè)備如網(wǎng)卡、路由器等，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備I/O設(shè)備的類型與特點(diǎn)其他設(shè)備如打印機(jī)、掃描儀、攝像頭等，用于實(shí)現(xiàn)特定功能。異步性I/O設(shè)備的操作與CPU的操作通常是異步的，即它們可以并行進(jìn)行。實(shí)時(shí)性某些I/O設(shè)備需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，如音頻和視頻設(shè)備。設(shè)備相關(guān)性不同類型的I/O設(shè)備有不同的操作方式和數(shù)據(jù)格式。I/O設(shè)備的類型與特點(diǎn)I/O接口的功能數(shù)據(jù)緩沖和鎖存功能。此功能是解決速度匹配問題。由數(shù)據(jù)鎖存器或緩沖器完成。接收和執(zhí)行CPU命令的功能。此功能是解決相應(yīng)的控制問題。由接口電路中的控制寄存器完成。I/O接口的功能與組成0102I/O接口的功能與組成數(shù)據(jù)格式變換功能。此功能是解決傳遞數(shù)據(jù)交換問題。由接口電路中移位寄存器完成。信號(hào)電平轉(zhuǎn)換功能。此功能是解決信號(hào)匹配問題。由接口電路完成電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)總線緩沖器與CPU數(shù)據(jù)總線相連，起到數(shù)據(jù)緩沖和鎖存的作用。控制寄存器接收CPU的控制命令，并控制接口和設(shè)備的操作。I/O接口的功能與組成I/O接口的功能與組成狀態(tài)寄存器保存接口和設(shè)備的狀態(tài)信息，供CPU查詢。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路將CPU傳送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需的串行數(shù)據(jù)，或?qū)⒃O(shè)備傳送的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CPU所需的并行數(shù)據(jù)。程序查詢方式CPU通過程序主動(dòng)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)交換。這種方式簡(jiǎn)單但效率低下，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的簡(jiǎn)單設(shè)備。中斷控制方式當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好后，通過中斷請(qǐng)求通知CPU，CPU響應(yīng)中斷后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種方式提高了CPU的利用率，適用于實(shí)時(shí)性要求較高的設(shè)備。DMA控制方式在主存和I/O設(shè)備之間設(shè)置一條直接數(shù)據(jù)通路，使得主存和