《計算機組成原理》教程第1章概述

《計算機組成原理》教程第1章概述計算機系統(tǒng)簡介數(shù)據(jù)表示與運算方法存儲系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)與尋址方式中央處理器結(jié)構(gòu)與功能總線系統(tǒng)與輸入輸出設(shè)備contents目錄01計算機系統(tǒng)簡介第一代計算機第二代計算機第三代計算機第四代計算機計算機發(fā)展歷程電子管計算機，體積龐大、運算速度低、成本高且可靠性差。集成電路計算機，進一步提高了運算速度和可靠性，并開始應(yīng)用于各個領(lǐng)域。晶體管計算機，體積減小、運算速度提高、成本降低且可靠性增強。超大規(guī)模集成電路計算機，體積進一步減小、運算速度飛速提升，功能更加強大且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出設(shè)備等，是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，是計算機系統(tǒng)的靈魂，負責管理和控制硬件系統(tǒng)的工作。軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)組成指計算機運算器一次能處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，字長越長，計算機的運算精度越高、處理能力越強。字長運算速度存儲容量外部設(shè)備配置及擴展能力指計算機每秒鐘能執(zhí)行的指令數(shù)，單位是MIPS（百萬條指令/秒）或GFLOPS（十億次浮點運算/秒）等。指計算機存儲器能存儲的二進制信息的總量，單位是字節(jié)（Byte）。指計算機與外部設(shè)備的連接性能和擴展槽數(shù)量等，決定了計算機的擴展性和可升級性。計算機性能指標02數(shù)據(jù)表示與運算方法計算機內(nèi)部采用二進制表示數(shù)據(jù)，因為二進制數(shù)的表示方式非常適合計算機內(nèi)部的電路和邏輯運算。二進制人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槭煜さ臄?shù)制，每一位上的數(shù)碼都是0~9之間的數(shù)字。十進制在計算機領(lǐng)域也常用到十六進制，它可以用來更緊湊地表示二進制數(shù)，每4位二進制數(shù)對應(yīng)1位十六進制數(shù)。十六進制將字符、數(shù)字等信息轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的二進制代碼的過程，如ASCII碼、Unicode等。編碼數(shù)制與編碼小數(shù)點固定在最低有效位的后面，用于表示整數(shù)。小數(shù)點固定在最高有效位的前面，用于表示小數(shù)。這種表示方法會受到字長的限制，導致數(shù)值范圍和精度有限。定點數(shù)表示法定點小數(shù)定點整數(shù)浮點數(shù)表示法浮點數(shù)是一種可以表示很大或很小的數(shù)的表示方法，它由尾數(shù)、基數(shù)和指數(shù)三部分組成。IEEE754標準規(guī)定了浮點數(shù)的存儲格式，包括符號位、指數(shù)位和尾數(shù)位的位數(shù)以及它們的排列方式。規(guī)格化浮點數(shù)為了使浮點數(shù)的表示唯一且精度最高，需要對浮點數(shù)進行規(guī)格化處理，即使尾數(shù)的最高位始終為1（對于二進制浮點數(shù)）。浮點數(shù)的概念基本運算方法01包括加法、減法、乘法、除法等基本算術(shù)運算，以及邏輯運算和移位運算等。運算器的組成02運算器是實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算的部件，它由算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器、寄存器等部件組成。運算器的功能03根據(jù)指令的要求，從存儲器或寄存器中取出操作數(shù)進行運算，并將結(jié)果存回存儲器或寄存器中。同時，運算器還可以執(zhí)行一些與運算相關(guān)的操作，如溢出檢測和處理等。運算方法與運算器03存儲系統(tǒng)概述存儲器分類及性能指標存儲器分類按存儲介質(zhì)可分為半導體存儲器、磁表面存儲器、光存儲器等；按存儲方式可分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。性能指標存儲容量、存取速度、可靠性、功耗等是評價存儲器性能的重要指標。主存儲器結(jié)構(gòu)主存儲器通常由存儲體、地址譯碼器、讀寫控制電路和數(shù)據(jù)輸入輸出電路等部分組成。工作原理主存儲器的工作過程是通過地址譯碼器找到指定存儲單元，然后通過讀寫控制電路控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。主存儲器結(jié)構(gòu)與工作原理硬盤、軟盤、光盤、U盤等是常見的輔助存儲器。輔助存儲器種類輔助存儲器具有存儲容量大、價格低、可長期保存數(shù)據(jù)等特點，但存取速度較慢。特點輔助存儲器簡介存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)通常由高速緩沖存儲器（Cache）、主存儲器和輔助存儲器三個層次組成。層次間關(guān)系Cache位于CPU和主存儲器之間，用于提高CPU訪問主存儲器的速度；主存儲器用于存放當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)；輔助存儲器用于長期保存大量數(shù)據(jù)。存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)04指令系統(tǒng)與尋址方式指令格式指令通常由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明操作的性質(zhì)，操作數(shù)表示操作的對象。根據(jù)指令長度的不同，可分為定長指令和變長指令。指令分類按照指令的功能，可以將其分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)邏輯指令、控制轉(zhuǎn)移指令、輸入輸出指令等。不同類型的指令在指令系統(tǒng)中起著不同的作用。指令格式及分類VS尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法。常見的尋址方式有立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等。尋址方式特點不同的尋址方式具有不同的特點，如立即尋址方式操作數(shù)緊跟在操作碼后面，直接尋址方式操作數(shù)的有效地址直接給出，間接尋址方式操作數(shù)的有效地址通過存儲器間接給出等。尋址方式尋址方式及特點Intelx86指令系統(tǒng)x86指令系統(tǒng)是Intel公司為其x86系列微處理器設(shè)計的指令系統(tǒng)，具有豐富的指令集和靈活的尋址方式，廣泛應(yīng)用于PC機和服務(wù)器領(lǐng)域。ARM指令系統(tǒng)ARM指令系統(tǒng)是ARM公司為其ARM處理器設(shè)計的精簡指令集，具有功耗低、成本低、性能高等特點，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備領(lǐng)域。MIPS指令系統(tǒng)MIPS指令系統(tǒng)是MIPS公司為其MIPS處理器設(shè)計的精簡指令集，采用RISC架構(gòu)，具有指令簡單、執(zhí)行效率高、易于擴展等特點，廣泛應(yīng)用于高性能計算領(lǐng)域。典型指令系統(tǒng)介紹05中央處理器結(jié)構(gòu)與功能負責解釋指令、生成控制信號，并協(xié)調(diào)各部件工作?？刂破鲌?zhí)行算術(shù)和邏輯運算，包括加法器、乘法器等。運算器提供高速暫存數(shù)據(jù)的場所，包括通用寄存器、專用寄存器等。寄存器組連接CPU內(nèi)部各部件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。內(nèi)部總線CPU組成部件及功能取指對指令進行解析，確定操作碼和操作數(shù)地址。譯碼執(zhí)行寫回01020403將執(zhí)行結(jié)果寫回到存儲器或寄存器中。從存儲器中讀取指令，并放入指令寄存器。根據(jù)操作碼調(diào)用相應(yīng)部件執(zhí)行操作。指令執(zhí)行過程CPU性能指標及發(fā)展趨勢主頻、字長、緩存大小、指令集、功耗等。性能指標更高的主頻、更多的核心數(shù)、更大的緩存、更低的功耗、更豐富的指令集優(yōu)化等。同時，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，CPU也在向異構(gòu)計算、智能化等方向發(fā)展。發(fā)展趨勢06總線系統(tǒng)與輸入輸出設(shè)備總線是連接計算機內(nèi)部各個部件之間的一組傳輸線，用于在各個部件之間傳輸數(shù)據(jù)和控制信號。根據(jù)總線所處的位置和作用，可以將其分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線連接CPU和內(nèi)部存儲器，系統(tǒng)總線連接計算機內(nèi)部各大部件，外部總線則用于連接計算機和外部設(shè)備?？偩€系統(tǒng)概念總線分類總線系統(tǒng)概念及分類總線仲裁當多個部件同時需要使用總線時，需要通過總線仲裁機制來決定哪個部件優(yōu)先使用總線。常見的總線仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。通信控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸需要遵循一定的通信協(xié)議和控制方式，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和避免沖突。常見的通信控制方式有同步通信和異步通信?？偩€仲裁與通信控制輸入設(shè)備輸入設(shè)備用于將外部信息輸入到計算機中，常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設(shè)備輸出設(shè)備用