計(jì)算機(jī)組成原理(李華)課件

計(jì)算機(jī)組成原理本課程介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成和工作原理，著重講解計(jì)算機(jī)組成原理和體系結(jié)構(gòu)的基本概念、方法和技術(shù)，以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的硬件技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)1.掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理2.理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念和設(shè)計(jì)方法3.熟悉現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的硬件技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法4.培養(yǎng)學(xué)生分析和解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)問(wèn)題的能力課程內(nèi)容1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2.運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備3.CPU的工作原理和指令系統(tǒng)4.存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)和總線系統(tǒng)5.并行處理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)估6.計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1應(yīng)用層用戶可以直接使用的軟件，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、應(yīng)用程序等2系統(tǒng)軟件層管理和控制硬件資源的軟件，如操作系統(tǒng)、編譯器、鏈接器等3硬件層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理組成，包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等計(jì)算機(jī)組成的主要部件運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算控制器控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件的工作存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序輸入/輸出設(shè)備與外部世界進(jìn)行信息交換運(yùn)算器的硬件實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算單元(ALU)實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，如“與”、“或”、“非”等控制器的硬件實(shí)現(xiàn)指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)時(shí)序控制控制指令執(zhí)行的順序和時(shí)間數(shù)據(jù)流控制控制數(shù)據(jù)在各個(gè)部件之間的傳輸存儲(chǔ)器的基本概念存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最小單位地址每個(gè)存儲(chǔ)單元的唯一標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的信息主存儲(chǔ)器的硬件實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)可以隨機(jī)訪問(wèn)任何存儲(chǔ)單元，速度快，但斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失只讀存儲(chǔ)器(ROM)只能讀取數(shù)據(jù)，不能寫(xiě)入數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)1高速緩存速度最快，容量最小，用于存放最常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)2主存儲(chǔ)器速度較快，容量中等，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)3輔助存儲(chǔ)器速度最慢，容量最大，用于存放長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)和程序輸入/輸出子系統(tǒng)輸入設(shè)備將外部信息輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息輸出到外部，如顯示器、打印機(jī)、音箱等I/O接口連接輸入/輸出設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O通道負(fù)責(zé)輸入/輸出設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間的信息傳輸I/O設(shè)備的分類字符設(shè)備輸入或輸出字符流，如鍵盤(pán)、打印機(jī)等塊設(shè)備輸入或輸出數(shù)據(jù)塊，如磁盤(pán)、磁帶等通信設(shè)備用于與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，如調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口卡等I/O接口的作用1協(xié)議轉(zhuǎn)換將輸入/輸出設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)議2數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將輸入/輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式3數(shù)據(jù)緩沖緩沖輸入/輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的速度差異4錯(cuò)誤檢測(cè)和處理檢測(cè)和處理輸入/輸出過(guò)程中的錯(cuò)誤I/O通道的實(shí)現(xiàn)1選擇通道用于選擇要訪問(wèn)的輸入/輸出設(shè)備2數(shù)據(jù)通道用于輸入/輸出設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸3控制通道用于控制輸入/輸出設(shè)備的工作中斷機(jī)制的原理中斷請(qǐng)求輸入/輸出設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求1中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求2中斷處理CPU執(zhí)行中斷處理程序3中斷返回CPU返回原程序繼續(xù)執(zhí)行4中斷處理的過(guò)程1保存斷點(diǎn)保存CPU當(dāng)前的狀態(tài)，以便中斷處理結(jié)束后能夠恢復(fù)2保存現(xiàn)場(chǎng)保存與中斷相關(guān)的寄存器內(nèi)容3執(zhí)行中斷處理程序處理中斷事件4恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)與中斷相關(guān)的寄存器內(nèi)容5恢復(fù)斷點(diǎn)恢復(fù)CPU的運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行原程序DMA技術(shù)的工作原理總線系統(tǒng)的概念1數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)2地址總線指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)地址3控制總線控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚝头绞娇偩€的分類及特點(diǎn)系統(tǒng)總線連接CPU、主存儲(chǔ)器和I/O接口I/O總線連接I/O設(shè)備和I/O接口內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部的各個(gè)部件總線的接口電路總線驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)放大，以確保信號(hào)在總線上可靠傳輸總線接收器接收來(lái)自總線上的信號(hào)總線協(xié)議及傳輸方式總線仲裁多個(gè)設(shè)備共享總線時(shí)，需要進(jìn)行仲裁，以確定誰(shuí)有權(quán)使用總線總線時(shí)序定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間關(guān)系總線傳輸方式同步傳輸、異步傳輸、半同步傳輸CPU的基本構(gòu)成運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算1控制器控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部件工作2寄存器組存放數(shù)據(jù)和指令3指令譯碼器將指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)4時(shí)序控制器控制指令執(zhí)行的順序和時(shí)間5CPU的工作過(guò)程1取指令從主存儲(chǔ)器中取出指令2指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)3執(zhí)行指令根據(jù)控制信號(hào)執(zhí)行指令4寫(xiě)回結(jié)果將指令執(zhí)行的結(jié)果寫(xiě)入寄存器或主存儲(chǔ)器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則完整性能夠完成所有的基本運(yùn)算正交性指令之間相互獨(dú)立，可以靈活組合高效性指令執(zhí)行速度快，資源利用率高兼容性與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兼容指令格式的基本形式操作碼字段指明指令的操作類型地址字段指明操作數(shù)的地址或操作數(shù)本身指令流水線的工作原理取指令從主存儲(chǔ)器中取出指令指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)執(zhí)行指令根據(jù)控制信號(hào)執(zhí)行指令寫(xiě)回結(jié)果將指令執(zhí)行的結(jié)果寫(xiě)入寄存器或主存儲(chǔ)器超標(biāo)量技術(shù)的應(yīng)用并行執(zhí)行CPU有多個(gè)執(zhí)行單元，可以同時(shí)執(zhí)行多條指令指令調(diào)度CPU根據(jù)指令之間的依賴關(guān)系，對(duì)指令進(jìn)行重新排序，以提高指令執(zhí)行效率內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的作用提高存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度通過(guò)高速緩存和虛擬存儲(chǔ)器，可以提高存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度1擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量通過(guò)虛擬存儲(chǔ)器，可以擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量2降低存儲(chǔ)器成本通過(guò)使用不同級(jí)別的存儲(chǔ)器，可以降低存儲(chǔ)器成本3高速緩存的工作原理1緩存命中CPU要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)在緩存中，直接從緩存中讀取數(shù)據(jù)2緩存未命中CPU要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)不在緩存中，需要從主存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存虛擬存儲(chǔ)器的概念虛擬地址程序員看到的地址空間物理地址主存儲(chǔ)器中的實(shí)際地址空間頁(yè)表用于將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址虛擬存儲(chǔ)器的分頁(yè)機(jī)制將虛擬地址空間劃分為頁(yè)將虛擬地址空間劃分為大小相同的頁(yè)將物理地址空間劃分為頁(yè)框?qū)⑽锢淼刂房臻g劃分為大小相同的頁(yè)框建立頁(yè)表頁(yè)表記錄了虛擬頁(yè)與物理頁(yè)框的映射關(guān)系虛擬存儲(chǔ)器的分段機(jī)制將虛擬地址空間劃分為段將虛擬地址空間劃分為大小不一的段將物理地址空間劃分為段框?qū)⑽锢淼刂房臻g劃分為大小不一的段框建立段表段表記錄了虛擬段與物理段框的映射關(guān)系存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能指標(biāo)1存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量2存儲(chǔ)器速度存儲(chǔ)器訪問(wèn)數(shù)據(jù)的速度3存儲(chǔ)器成本存儲(chǔ)器的價(jià)格4存儲(chǔ)器可靠性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性I/O系統(tǒng)的性能指標(biāo)I/O速度輸入/輸出設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的速度I/O吞吐率單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量I/O延遲從發(fā)出I/O請(qǐng)求到完成I/O操作所需要的時(shí)間CPU性能的度量方法時(shí)鐘頻率CPU的工作速度每秒指令數(shù)(IPS)CPU每秒能夠執(zhí)行的指令數(shù)性能測(cè)試使用基準(zhǔn)程序測(cè)試CPU的性能并行處理的基本概念并行計(jì)算使用多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，以提高計(jì)算速度并行編程編寫(xiě)并行程序，使多個(gè)處理器能夠同時(shí)執(zhí)行任務(wù)并行架構(gòu)支持并行處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)并行處理的分類及特點(diǎn)1指令級(jí)并行在指令級(jí)別進(jìn)行并行處理2數(shù)據(jù)級(jí)并行在數(shù)據(jù)級(jí)別進(jìn)行并行處理3任務(wù)級(jí)并行在任務(wù)級(jí)別進(jìn)行并行處理集成電路的工藝技術(shù)晶圓制造在晶圓上制造集成電路光刻使用光刻技術(shù)將電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上封裝將晶圓上的芯片封裝成可使用的組件芯片