《計(jì)組概論級(jí)》課件

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程簡(jiǎn)介本課程旨在深入淺出地介紹計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他計(jì)算機(jī)相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由多個(gè)物理部件組成，包括中央處理器、主存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備和總線等，協(xié)同工作以執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由一系列指令和數(shù)據(jù)組成，控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)執(zhí)行特定的任務(wù)，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和各種工具軟件。數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算數(shù)據(jù)編碼了解二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制以及ASCII碼等不同數(shù)據(jù)編碼方式，學(xué)會(huì)將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為不同進(jìn)制。整數(shù)運(yùn)算掌握加減乘除等基本整數(shù)運(yùn)算，并學(xué)習(xí)溢出處理、補(bǔ)碼運(yùn)算以及定點(diǎn)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算學(xué)習(xí)IEEE754標(biāo)準(zhǔn)下浮點(diǎn)數(shù)的表示方式，并理解浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的精度、舍入誤差以及溢出處理。指令系統(tǒng)指令格式指令格式定義指令的結(jié)構(gòu)和組成部分，如操作碼、操作數(shù)地址、指令長(zhǎng)度等。指令類型常見(jiàn)指令類型包括數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、控制轉(zhuǎn)移指令等。尋址方式尋址方式?jīng)Q定指令如何獲取操作數(shù)，常見(jiàn)方式包括立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、間接尋址等。指令流水線1指令流水線概述將一條指令的執(zhí)行過(guò)程劃分成多個(gè)階段，每個(gè)階段處理指令的不同部分，并同時(shí)執(zhí)行多個(gè)階段。2流水線結(jié)構(gòu)通常包含取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫(xiě)回等多個(gè)階段。3流水線性能提高程序執(zhí)行速度，減少指令執(zhí)行時(shí)間，提高CPU的利用率。總線系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不同部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓餐ǖ?。它是連接CPU、內(nèi)存、外設(shè)等重要組件的關(guān)鍵橋梁。2同步/異步同步總線使用時(shí)鐘信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，而異步總線則通過(guò)握手信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸。3類型總線可以分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，它們各自負(fù)責(zé)不同的功能。4特點(diǎn)總線具有共享性、并行性、時(shí)序性等特點(diǎn)，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸寬度進(jìn)行分類。存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器分類主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)用于存放CPU直接訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和程序，速度快容量小。輔存儲(chǔ)器(外存)用于存放大量信息，速度慢容量大。存儲(chǔ)器特點(diǎn)速度、容量、成本是存儲(chǔ)器的三個(gè)重要指標(biāo)。存儲(chǔ)系統(tǒng)需要考慮成本、速度和容量之間的平衡。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用分級(jí)結(jié)構(gòu)，利用不同類型的存儲(chǔ)器組合，提高性能和性價(jià)比。存儲(chǔ)器管理存儲(chǔ)器管理是對(duì)存儲(chǔ)器的分配、回收和保護(hù)，需要考慮內(nèi)存分配算法和虛擬內(nèi)存技術(shù)。存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)1高速緩存速度快、容量小、成本高2主存速度較快、容量中等、成本中等3輔存速度慢、容量大、成本低存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)通過(guò)速度、容量和成本的差異，來(lái)滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)不同類型數(shù)據(jù)的訪問(wèn)需求。CPU優(yōu)先訪問(wèn)高速緩存，然后訪問(wèn)主存，最后訪問(wèn)輔存，以此來(lái)提升系統(tǒng)性能。虛擬存儲(chǔ)器虛擬地址空間虛擬存儲(chǔ)器使用虛擬地址，邏輯地址，它與物理地址無(wú)關(guān)。頁(yè)面置換算法當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將不常用的頁(yè)面交換到磁盤，為新頁(yè)面騰出空間。提升效率虛擬存儲(chǔ)器允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，提高了內(nèi)存利用率和程序效率。輸入/輸出系統(tǒng)輸入/輸出設(shè)備輸入設(shè)備用于將外部數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。輸出設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)輸出到外部。輸入/輸出接口輸入/輸出接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。它?fù)責(zé)將輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以理解的格式，并將輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人類可以理解的格式。外圍設(shè)備外圍設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它們與中央處理器（CPU）和主存儲(chǔ)器共同構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。外圍設(shè)備主要用于與用戶進(jìn)行交互，輸入數(shù)據(jù)或指令，輸出結(jié)果，以及與外部世界進(jìn)行信息交換。中央處理器(CPU)大腦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)運(yùn)作?？刂浦行腃PU協(xié)調(diào)各個(gè)部件工作，是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制中心，決定著系統(tǒng)的執(zhí)行效率。運(yùn)算核心CPU包括控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器組，負(fù)責(zé)完成各種運(yùn)算、邏輯操作和數(shù)據(jù)處理。CPU結(jié)構(gòu)1控制單元負(fù)責(zé)從存儲(chǔ)器中獲取指令，并對(duì)指令進(jìn)行譯碼2算術(shù)邏輯單元執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算3寄存器組用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令4數(shù)據(jù)通路用于數(shù)據(jù)在CPU內(nèi)部的傳輸CPU的結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心的部分，它由控制單元、算術(shù)邏輯單元、寄存器組和數(shù)據(jù)通路組成。這些部分共同協(xié)作完成指令的獲取、譯碼、執(zhí)行和結(jié)果輸出等功能，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)?？刂茊卧?指令譯碼控制單元從指令寄存器中獲取指令，并將其譯碼為一系列控制信號(hào)。2時(shí)序控制控制單元根據(jù)指令譯碼結(jié)果，生成控制信號(hào)，控制各部件的運(yùn)行順序和時(shí)序。3數(shù)據(jù)通路控制控制單元控制數(shù)據(jù)在各部件之間的流動(dòng)路徑，確保數(shù)據(jù)按照指令的要求進(jìn)行處理。4異常處理控制單元負(fù)責(zé)檢測(cè)和處理程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，例如除零錯(cuò)誤、內(nèi)存越界等。算術(shù)邏輯單元基本功能算術(shù)邏輯單元(ALU)是計(jì)算機(jī)的核心部件之一，負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。運(yùn)算類型ALU可以執(zhí)行加減乘除、位運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等多種運(yùn)算，為計(jì)算機(jī)提供基礎(chǔ)的運(yùn)算能力。結(jié)構(gòu)組成ALU一般包含加法器、減法器、乘法器、除法器、邏輯運(yùn)算器等模塊，并通過(guò)控制信號(hào)選擇執(zhí)行的運(yùn)算。寄存器組高速存儲(chǔ)單元寄存器組是CPU內(nèi)部的存儲(chǔ)單元，用于保存經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和指令。提高訪問(wèn)速度寄存器組的訪問(wèn)速度比主內(nèi)存快得多，可以顯著提高CPU的執(zhí)行效率。不同類型寄存器寄存器組包含多種類型的寄存器，例如通用寄存器、程序計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器等，用于不同的功能。指令執(zhí)行過(guò)程1取指從內(nèi)存中獲取指令2譯碼解析指令格式和操作碼3執(zhí)行執(zhí)行指令操作，例如算術(shù)運(yùn)算或數(shù)據(jù)傳輸4寫(xiě)回將結(jié)果寫(xiě)入目標(biāo)寄存器或內(nèi)存指令執(zhí)行過(guò)程是一個(gè)循環(huán)，從取指開(kāi)始，一直重復(fù)直到程序結(jié)束。中斷機(jī)制中斷的定義中斷是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于內(nèi)部或外部事件發(fā)生而引起程序的暫時(shí)中止，并轉(zhuǎn)向處理該事件的程序。中斷類型內(nèi)部中斷外部中斷中斷處理過(guò)程中斷處理過(guò)程包括中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、保存現(xiàn)場(chǎng)、執(zhí)行中斷服務(wù)程序、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、中斷返回。輸入輸出接口端口地址每個(gè)端口都有唯一的地址，用于標(biāo)識(shí)不同的設(shè)備，CPU可以通過(guò)端口地址訪問(wèn)外設(shè)。I/O控制器I/O控制器是位于CPU和外設(shè)之間的橋梁，它負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)在CPU和外設(shè)之間的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸方式I/O接口支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，例如：DMA傳輸、中斷傳輸?shù)?。?shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路定義數(shù)據(jù)通路是CPU中執(zhí)行指令的硬件結(jié)構(gòu)。它包含寄存器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器等組件，以及連接這些組件的總線。設(shè)計(jì)目標(biāo)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)高效的指令執(zhí)行，包括快速的數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算和存儲(chǔ)操作，以及資源的合理分配。設(shè)計(jì)流程數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)通常涉及定義指令集架構(gòu)、確定寄存器數(shù)量和類型、選擇運(yùn)算器和存儲(chǔ)器等關(guān)鍵組件，以及設(shè)計(jì)連接這些組件的總線結(jié)構(gòu)。優(yōu)化策略為了提高數(shù)據(jù)通路的性能，可以采用流水線技術(shù)、高速緩存、多級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)等優(yōu)化策略，以減少指令執(zhí)行時(shí)間和提高吞吐量?？刂茊卧O(shè)計(jì)1微程序控制利用存儲(chǔ)器中的微程序?qū)崿F(xiàn)控制邏輯2組合邏輯控制利用邏輯門電路直接實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)3硬布線控制利用硬件電路實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)控制單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件之一，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部件工作，執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)程序功能。控制單元的設(shè)計(jì)方法多種多樣，其中主要包括硬布線控制、組合邏輯控制和微程序控制三種。性能分析性能分析是計(jì)算機(jī)組成原理中重要的組成部分，通過(guò)評(píng)估和分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如運(yùn)行速度、存儲(chǔ)容量、功耗等，可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)效率。CPU處理速度內(nèi)存訪問(wèn)速度磁盤I/O速度性能分析的方法包括基準(zhǔn)測(cè)試、性能指標(biāo)分析、瓶頸識(shí)別等，通過(guò)這些分析結(jié)果可以對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)整體性能。指令集架構(gòu)11.指令集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令集是CPU可執(zhí)行指令的集合，定義了CPU操作數(shù)據(jù)的方式。22.數(shù)據(jù)類型指令集定義了CPU支持的數(shù)據(jù)類型，例如整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符等。33.尋址方式指令集定義了CPU訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)的方式，如寄存器尋址、直接尋址、間接尋址等。44.指令格式指令集定義了指令的編碼方式，例如操作碼、操作數(shù)地址等。運(yùn)算器設(shè)計(jì)運(yùn)算器功能運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送操作。它由數(shù)據(jù)通路、控制邏輯和算術(shù)邏輯單元組成。數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路是運(yùn)算器中的硬件結(jié)構(gòu)，用于傳輸數(shù)據(jù)和指令。它包含寄存器、算術(shù)邏輯單元、存儲(chǔ)器以及連接它們的總線。算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元(ALU)是運(yùn)算器的核心，它執(zhí)行加減乘除、邏輯運(yùn)算等操作。ALU的性能直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度?？刂七壿嬁刂七壿嬝?fù)責(zé)控制運(yùn)算器的操作，包括數(shù)據(jù)通路的選擇、操作的執(zhí)行以及結(jié)果的存儲(chǔ)?？刂七壿嬐ǔＳ晌⒊绦蚩刂苹蚪M合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。微程序控制設(shè)計(jì)1微程序控制原理微程序控制使用微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯，微程序是一系列指令序列，每個(gè)指令對(duì)應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)組合，微程序存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中，通過(guò)地址譯碼和微指令執(zhí)行來(lái)完成指令控制。2微程序控制步驟微程序存儲(chǔ)器微指令譯碼控制信號(hào)生成執(zhí)行指令3微程序控制優(yōu)點(diǎn)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，簡(jiǎn)化控制邏輯設(shè)計(jì)，便于修改和維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)并行操作和流水線技術(shù)。存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1存儲(chǔ)器類型選擇根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的存儲(chǔ)器類型，例如主存、高速緩存、外存。2存儲(chǔ)器容量設(shè)計(jì)根據(jù)程序運(yùn)行的需要和系統(tǒng)資源的約束，合理地設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器的容量。3存儲(chǔ)器組織形式選擇合適的存儲(chǔ)器組織形式，例如字組織、字節(jié)組織，并確定存儲(chǔ)器的地址空間。4存儲(chǔ)器管理策略設(shè)計(jì)合適的存儲(chǔ)器管理策略，例如分頁(yè)、分段，以及相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)換機(jī)制。5存儲(chǔ)器可靠性設(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正技術(shù)，提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)總線類型總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它涉及總線類型，如地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化?？偩€寬度總線寬度決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿卸?，影響?shù)據(jù)傳輸速度。合理選擇總線寬度，兼顧性能和成本，是設(shè)計(jì)總線的關(guān)鍵因素。總線協(xié)議總線協(xié)議定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)范，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序和信號(hào)控制方式。選擇合適的總線協(xié)議，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省？偩€仲裁在多設(shè)備共享總線的情況下，總線仲裁機(jī)制保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫院托?。常?jiàn)仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁?？偩€擴(kuò)展總線擴(kuò)展技術(shù)可以擴(kuò)展總線系統(tǒng)的容量，滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。常用的擴(kuò)展方式包括總線級(jí)聯(lián)和總線分層。輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)1接口設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸路徑和控制信號(hào)2驅(qū)動(dòng)程序控制設(shè)備操作3中斷機(jī)制處理設(shè)備請(qǐng)求4DMA直接內(nèi)存訪問(wèn)輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括接口設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序、中斷機(jī)制和DMA等關(guān)鍵部分。接口設(shè)計(jì)定義了數(shù)據(jù)傳輸路徑和控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)程序控制設(shè)備操作，中斷機(jī)制處理設(shè)備請(qǐng)求，DMA則實(shí)現(xiàn)了直接內(nèi)存訪問(wèn)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。硬件描述語(yǔ)言