《計(jì)算機(jī)組成原理》課件

計(jì)算機(jī)組成原理深入探索計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理理解CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器等核心組件如何協(xié)同運(yùn)作作者：課程目標(biāo)理解計(jì)算機(jī)工作原理掌握計(jì)算機(jī)基本組成、工作流程和主要部件的功能。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言，掌握計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本方法。了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、協(xié)議和應(yīng)用，掌握網(wǎng)絡(luò)通信的基本原理。掌握操作系統(tǒng)知識(shí)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的主要功能、工作原理和常見(jiàn)的操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成包括硬件和軟件兩部分。硬件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中看得見(jiàn)、摸得著的物理設(shè)備，包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中看不見(jiàn)、摸不著的程序和數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破魇怯?jì)算機(jī)的指揮中心，負(fù)責(zé)控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用于存放程序和數(shù)據(jù)，分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。輸入設(shè)備用于將外部信息輸入計(jì)算機(jī)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果輸出到外部，如顯示器、打印機(jī)等。數(shù)據(jù)表示二進(jìn)制計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制系統(tǒng)表示數(shù)據(jù)，0和1代表“開(kāi)”和“關(guān)”。字符編碼ASCII編碼將字符轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值，方便計(jì)算機(jī)處理文本信息。十進(jìn)制十進(jìn)制是人類常用的計(jì)數(shù)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部需要將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制進(jìn)行處理。顏色表示RGB模型使用紅、綠、藍(lán)三種顏色組合表示顏色，每個(gè)顏色值用0-255的二進(jìn)制值表示。數(shù)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制將十進(jìn)制數(shù)除以2，記錄余數(shù)，直到商為0。將所有余數(shù)按逆序排列即為二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制將二進(jìn)制數(shù)從右到左依次乘以2的冪，然后相加。例如：1101B=1*2^3+1*2^2+0*2^1+1*2^0=13D。十進(jìn)制轉(zhuǎn)八進(jìn)制將十進(jìn)制數(shù)除以8，記錄余數(shù)，直到商為0。將所有余數(shù)按逆序排列即為八進(jìn)制數(shù)。八進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制將八進(jìn)制數(shù)從右到左依次乘以8的冪，然后相加。例如：123O=1*8^2+2*8^1+3*8^0=83D。十進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制將十進(jìn)制數(shù)除以16，記錄余數(shù)，直到商為0。將所有余數(shù)用0-9和A-F表示，按逆序排列即為十六進(jìn)制數(shù)。十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制將十六進(jìn)制數(shù)從右到左依次乘以16的冪，然后相加。例如：1A3H=1*16^2+10*16^1+3*16^0=419D。運(yùn)算方式1算術(shù)運(yùn)算包括加減乘除等基本運(yùn)算。這些運(yùn)算在數(shù)據(jù)處理、數(shù)值計(jì)算中發(fā)揮著重要作用。2邏輯運(yùn)算包括與或非等邏輯運(yùn)算。邏輯運(yùn)算用于判斷條件、控制程序流程，是計(jì)算機(jī)決策的關(guān)鍵。3移位運(yùn)算通過(guò)移動(dòng)二進(jìn)制位來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速倍增或縮減，在數(shù)據(jù)處理和地址計(jì)算中有廣泛應(yīng)用。4比較運(yùn)算比較兩個(gè)操作數(shù)的大小關(guān)系，是程序中判斷條件、控制分支的依據(jù)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序指令。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“記憶單元”，存儲(chǔ)著CPU需要執(zhí)行的指令和操作的數(shù)據(jù)，是CPU與外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器分類主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中直接與CPU交互的存儲(chǔ)器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。它具有較高的讀寫(xiě)速度和較小的容量，通常用半導(dǎo)體材料制作。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器是用來(lái)存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，其容量較大，但速度較慢。它通常用于長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，比如硬盤(pán)、光盤(pán)等。高速緩存高速緩存是一種小容量的存儲(chǔ)器，用來(lái)存放經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和指令。它具有極高的讀寫(xiě)速度，但價(jià)格昂貴，容量較小。寄存器寄存器是CPU內(nèi)部的一部分，用來(lái)存放數(shù)據(jù)和指令，供CPU直接訪問(wèn)。它具有最快的讀寫(xiě)速度，但容量極小。存儲(chǔ)器的訪問(wèn)方式1隨機(jī)訪問(wèn)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)允許直接訪問(wèn)任何內(nèi)存位置，無(wú)需按順序訪問(wèn)。2順序訪問(wèn)順序訪問(wèn)存儲(chǔ)器(SAM)需要從第一個(gè)位置開(kāi)始，按順序訪問(wèn)內(nèi)存位置。3直接訪問(wèn)直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器(DAM)通過(guò)特定的地址直接訪問(wèn)內(nèi)存位置，類似于RAM。CPU結(jié)構(gòu)中央處理器(CPU)是計(jì)算機(jī)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。CPU的結(jié)構(gòu)主要包含：算術(shù)邏輯單元(ALU)、控制單元(CU)、寄存器組和高速緩存。算術(shù)邏輯單元(ALU)負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，例如加減乘除和比較運(yùn)算?？刂茊卧?CU)負(fù)責(zé)控制CPU的工作流程，例如讀取指令、解碼指令、執(zhí)行指令和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。寄存器組是CPU中高速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在處理的數(shù)據(jù)和指令。高速緩存(Cache)是CPU訪問(wèn)速度最快的存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)常用的數(shù)據(jù)和指令，以提高CPU的訪問(wèn)效率。指令系統(tǒng)指令集指令集是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件所能理解和執(zhí)行的指令集合。它定義了計(jì)算機(jī)的基本操作和功能，并決定了計(jì)算機(jī)的性能和功能。指令格式指令格式?jīng)Q定了指令的結(jié)構(gòu)，包括操作碼、操作數(shù)地址、操作數(shù)類型等。不同的指令格式對(duì)應(yīng)不同的指令長(zhǎng)度和操作數(shù)類型。指令類型指令類型根據(jù)操作功能分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、程序控制指令、輸入輸出指令等，每種指令類型對(duì)應(yīng)不同的操作功能。尋址方式尋址方式是確定操作數(shù)地址的方式，不同的尋址方式?jīng)Q定了指令的尋址范圍和操作數(shù)的獲取方式。指令格式操作碼指令格式中用于指定操作類型的部分，它決定了指令將執(zhí)行何種操作。地址碼指令格式中用于指定操作數(shù)或操作數(shù)地址的部分，它指示了操作數(shù)在內(nèi)存中的位置。其他字段指令格式中可能包含的其他字段，例如標(biāo)志位，用于控制指令執(zhí)行過(guò)程中的某些特殊行為。指令執(zhí)行過(guò)程1取指從存儲(chǔ)器中取出指令2譯碼對(duì)指令進(jìn)行解碼，識(shí)別操作碼和操作數(shù)3執(zhí)行根據(jù)指令的操作碼，執(zhí)行相應(yīng)的操作4寫(xiě)回將執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)器或寄存器指令執(zhí)行過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，從取指開(kāi)始，到寫(xiě)回結(jié)束。每個(gè)指令的執(zhí)行過(guò)程都要經(jīng)過(guò)這四個(gè)步驟。總線體系結(jié)構(gòu)總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間傳輸信息的公共通路。總線可以分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線用于傳輸數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，控制總線用于控制數(shù)據(jù)的傳輸方向和時(shí)序?？偩€的分類數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，雙向傳輸數(shù)據(jù)。例如，CPU將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存。地址總線地址總線用于指定內(nèi)存地址，單向傳輸數(shù)據(jù)。例如，CPU向內(nèi)存發(fā)送地址，選擇要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元。控制總線控制總線用于傳輸控制信號(hào)，雙向傳輸數(shù)據(jù)。例如，CPU向內(nèi)存發(fā)送讀/寫(xiě)指令，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸。輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部世界交互的橋梁。它負(fù)責(zé)將外部數(shù)據(jù)和指令傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果傳送到外部設(shè)備。輸入輸出系統(tǒng)主要由輸入輸出接口、外圍設(shè)備和控制系統(tǒng)組成。輸入輸出接口負(fù)責(zé)接收來(lái)自外圍設(shè)備的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)；外圍設(shè)備則是與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的外部設(shè)備，例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器等；控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)輸入輸出設(shè)備的工作。輸入輸出接口接口功能數(shù)據(jù)緩沖地址譯碼數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接口類型并行接口串行接口通用串行總線（USB）接口設(shè)計(jì)考慮數(shù)據(jù)傳輸速率、信號(hào)類型、控制方式等因素。外圍設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備將信息從外部世界傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀。輸出設(shè)備輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理后的信息轉(zhuǎn)換為人類可理解的形式，例如顯示器、打印機(jī)?？刂葡到y(tǒng)中央處理器(CPU)計(jì)算機(jī)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，控制數(shù)據(jù)流，是計(jì)算機(jī)的控制中心。控制單元從內(nèi)存中取出指令，并解釋指令的含義，向其他部件發(fā)出控制信號(hào)，指揮計(jì)算機(jī)運(yùn)行。運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。時(shí)鐘電路為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供同步節(jié)拍，協(xié)調(diào)各個(gè)部件的運(yùn)作。微程序控制11.微程序定義微程序是一組存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中的指令，用于實(shí)現(xiàn)CPU的控制功能。22.微指令微指令由操作碼、地址字段和條件碼等組成，用于控制CPU的各個(gè)部件。33.微程序控制器微程序控制器是微程序控制器的核心，負(fù)責(zé)解釋微指令并控制CPU的各個(gè)部件工作。44.優(yōu)點(diǎn)微程序控制具有靈活性高、易于修改和擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，適合于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令集的CPU。流水線技術(shù)1指令流水線將指令執(zhí)行過(guò)程分解成多個(gè)子步驟2流水線操作多個(gè)指令同時(shí)在流水線中執(zhí)行3提高效率縮短程序執(zhí)行時(shí)間流水線技術(shù)是一種將指令執(zhí)行過(guò)程分解成多個(gè)子步驟，并使多個(gè)指令在流水線中同時(shí)執(zhí)行的技術(shù)。這種技術(shù)可以顯著提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量和效率。并行處理提高效率利用多個(gè)處理單元同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，提高處理速度，縮短執(zhí)行時(shí)間。增強(qiáng)性能多核處理器能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，提升系統(tǒng)整體的處理能力。降低成本通過(guò)并行處理，可以降低系統(tǒng)對(duì)硬件資源的需求，從而降低成本。超標(biāo)量處理技術(shù)并行執(zhí)行超標(biāo)量處理技術(shù)可以同時(shí)執(zhí)行多條指令，顯著提高處理器性能。流水線超標(biāo)量處理器通常結(jié)合流水線技術(shù)，進(jìn)一步提升效率。指令調(diào)度復(fù)雜指令調(diào)度算法保證指令的順序執(zhí)行，避免資源沖突。內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)化內(nèi)存訪問(wèn)速度的策略。它將不同速度和容量的存儲(chǔ)器分層組織，利用高速緩存技術(shù)，將常用的數(shù)據(jù)緩存在更快的存儲(chǔ)器中。這使得CPU可以更快地訪問(wèn)數(shù)據(jù)，提高計(jì)算機(jī)整體性能。這種分層結(jié)構(gòu)通常包括高速緩存、主內(nèi)存和輔助存儲(chǔ)器。高速緩存技術(shù)11.提高速度緩存存儲(chǔ)速度快于主存，用于存儲(chǔ)經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和指令，縮短訪問(wèn)時(shí)間。22.緩存命中當(dāng)CPU需要的數(shù)據(jù)或指令存在于緩存中，稱為緩存命中，可直接從緩存讀取數(shù)據(jù)。33.緩存不命中當(dāng)CPU需要的數(shù)據(jù)或指令不在緩存中，稱為緩存不命中，需要從主存讀取數(shù)據(jù)并存入緩存。44.緩存管理緩存管理策略決定了如何將數(shù)據(jù)放入緩存，如何從緩存中淘汰數(shù)據(jù)，影響緩存效率。虛擬存儲(chǔ)器虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一種技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。虛擬內(nèi)存通過(guò)將程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，并在需要時(shí)將其加載到內(nèi)存中來(lái)實(shí)現(xiàn)。分頁(yè)分頁(yè)是一種虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，它將虛擬內(nèi)存劃分為固定大小的頁(yè)面，并將這些頁(yè)面映射到物理內(nèi)存中的框架。當(dāng)程序需要訪問(wèn)某個(gè)頁(yè)面時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)檢查該頁(yè)面是否已經(jīng)在內(nèi)存中，如果不在，就會(huì)從磁盤(pán)上加載該頁(yè)面到內(nèi)存中。計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)性能指標(biāo)性能指標(biāo)性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率的指標(biāo)。常用的指標(biāo)包括CPU性能、內(nèi)存容量、硬盤(pán)速度、顯卡性能等。發(fā)展趨勢(shì)11.云計(jì)算云計(jì)算將成為主流趨勢(shì)，提供彈性和可擴(kuò)展的計(jì)算資源。22.人工智能人工智能將繼續(xù)發(fā)展，并應(yīng)用于更多領(lǐng)域，例如自動(dòng)駕駛和機(jī)器學(xué)習(xí)。33.量子計(jì)算量子計(jì)算將突破傳統(tǒng)計(jì)算