《計算機組成原理》課件

計算機組成原理歡迎來到計算機組成原理課程！本課程旨在深入探討計算機系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造、運作方式以及設(shè)計原理。我們將從最基本的邏輯門電路開始，逐步深入到中央處理器（CPU）、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)等核心組件的學習，最終使大家能夠全面理解計算機系統(tǒng)的工作原理，為未來的計算機科學研究和工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。課程簡介：為什么學習計算機組成原理？理解計算機本質(zhì)學習計算機組成原理，能夠幫助我們透過高級編程語言和應(yīng)用軟件的表象，深入理解計算機硬件的運作機制，掌握計算機的本質(zhì)。優(yōu)化程序性能理解計算機組成原理，可以讓我們編寫出更加高效的程序，充分利用硬件資源，提高程序運行速度。解決實際問題學習計算機組成原理，可以讓我們更好地解決實際問題，例如，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，需要深入了解硬件特性，才能編寫出穩(wěn)定可靠的程序。課程目標與內(nèi)容概述1課程目標理解計算機系統(tǒng)的基本概念和組成，掌握計算機硬件的工作原理，熟悉各種存儲技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，能夠?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)進行性能分析和優(yōu)化。2主要內(nèi)容數(shù)據(jù)表示與運算、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理器（CPU）、總線系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)，以及計算機系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。3學習方法理論學習與實踐操作相結(jié)合，通過實驗和案例分析，加深對知識點的理解，提高解決實際問題的能力。計算機系統(tǒng)概述硬件系統(tǒng)包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出設(shè)備等物理實體，是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計算機系統(tǒng)的靈魂，負責控制和管理硬件資源，實現(xiàn)各種功能。數(shù)據(jù)計算機系統(tǒng)處理的對象，包括數(shù)字、字符、圖像、音頻、視頻等各種形式的信息。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1應(yīng)用層用戶直接使用的各種應(yīng)用程序，例如文字處理軟件、游戲、瀏覽器等。2操作系統(tǒng)層管理硬件資源，提供用戶接口，支持應(yīng)用程序的運行。3指令集體系結(jié)構(gòu)層定義了計算機可以執(zhí)行的指令集，是軟件和硬件之間的橋梁。4微體系結(jié)構(gòu)層實現(xiàn)指令集體系結(jié)構(gòu)的具體方法，例如流水線、超標量等。5硬件層由各種電子元件組成的物理實體，例如CPU、存儲器、I/O設(shè)備等。計算機硬件的基本組成輸入設(shè)備將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的形式，例如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設(shè)備將計算機處理后的信息轉(zhuǎn)換為人類可以理解的形式，例如顯示器、打印機、音箱等。存儲器存儲程序和數(shù)據(jù)，包括主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（硬盤、U盤等）。運算器執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算，是計算機的核心部件之一。控制器控制計算機各個部件協(xié)調(diào)工作，是計算機的指揮中心。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)采用二進制計算機內(nèi)部所有信息都采用二進制表示。存儲程序原理將程序和數(shù)據(jù)存儲在同一存儲器中，計算機按照程序指令的順序執(zhí)行。五大部件由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。指令執(zhí)行方式指令由操作碼和地址碼組成，計算機通過操作碼識別指令類型，通過地址碼找到操作數(shù)。計算機軟件的分類系統(tǒng)軟件用于管理和控制計算機硬件資源，例如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、編譯程序等。1應(yīng)用軟件用于解決特定問題的程序，例如文字處理軟件、圖像處理軟件、游戲等。2中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，提供通用的服務(wù)和功能，例如消息隊列、遠程調(diào)用等。3計算機的工作過程1取指令從存儲器中取出指令。2譯碼分析指令的操作碼和地址碼。3執(zhí)行根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。4訪存從存儲器中讀取操作數(shù)或?qū)⒔Y(jié)果寫入存儲器。5修改PC修改程序計數(shù)器（PC），指向下一條指令。計算機的性能指標CPU主頻CPU主頻CPU的時鐘頻率，單位為赫茲（Hz），表示CPU每秒鐘的時鐘周期數(shù)。內(nèi)存容量內(nèi)存容量內(nèi)存的大小，單位為字節(jié)（Byte），表示計算機可以同時存儲的數(shù)據(jù)量。MIPSMIPS每秒百萬條指令數(shù)，是衡量計算機運算速度的指標之一。FLOPSFLOPS每秒浮點運算次數(shù)，是衡量計算機浮點運算能力的指標。數(shù)據(jù)的表示與運算數(shù)據(jù)類型計算機中可以表示的數(shù)據(jù)類型包括整數(shù)、浮點數(shù)、字符、字符串等。數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部以二進制形式表示，需要進行編碼，例如原碼、反碼、補碼、移碼等。數(shù)據(jù)運算計算機可以執(zhí)行各種算術(shù)運算和邏輯運算，例如加、減、乘、除、與、或、非等。數(shù)制與編碼數(shù)制十進制二進制八進制十六進制基數(shù)102816表示符號0-90,10-70-9,A-F進位規(guī)則逢十進一逢二進一逢八進一逢十六進一定點數(shù)的表示1原碼用最高位表示符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，其余位表示數(shù)值的絕對值。2反碼正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼是其原碼除符號位外按位取反。3補碼正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼是其反碼加1。4移碼將補碼的符號位取反得到移碼，主要用于表示浮點數(shù)的階碼。浮點數(shù)的表示符號位表示浮點數(shù)的正負性。1階碼表示浮點數(shù)的指數(shù)部分，通常用移碼表示。2尾數(shù)表示浮點數(shù)的有效數(shù)字部分，通常用原碼或補碼表示。3算術(shù)邏輯單元（ALU）算術(shù)運算執(zhí)行加、減、乘、除等算術(shù)運算。邏輯運算執(zhí)行與、或、非、異或等邏輯運算。移位運算執(zhí)行左移、右移等移位運算。定點數(shù)的加減運算補碼加法將兩個數(shù)的補碼相加，符號位也參與運算，結(jié)果的符號位表示運算結(jié)果的正負性。補碼減法將減數(shù)轉(zhuǎn)換為補碼，然后與被減數(shù)的補碼相加，符號位也參與運算，結(jié)果的符號位表示運算結(jié)果的正負性。溢出判斷判斷運算結(jié)果是否溢出，如果溢出，則需要進行相應(yīng)的處理。定點數(shù)的乘除運算乘法可以使用移位和加法操作實現(xiàn)乘法運算，例如原碼一位乘法、補碼一位乘法等。除法可以使用移位和減法操作實現(xiàn)除法運算，例如原碼恢復(fù)余數(shù)除法、補碼不恢復(fù)余數(shù)除法等。浮點數(shù)的加減運算1對階將兩個浮點數(shù)的階碼對齊，使它們的階碼相等。2尾數(shù)運算對兩個浮點數(shù)的尾數(shù)進行加減運算。3規(guī)格化將運算結(jié)果規(guī)格化，使尾數(shù)的最高位為1。4舍入對尾數(shù)進行舍入，以保證運算結(jié)果的精度。浮點數(shù)的乘除運算階碼運算將兩個浮點數(shù)的階碼相加（乘法）或相減（除法）。尾數(shù)運算對兩個浮點數(shù)的尾數(shù)進行乘法或除法運算。規(guī)格化將運算結(jié)果規(guī)格化，使尾數(shù)的最高位為1。舍入對尾數(shù)進行舍入，以保證運算結(jié)果的精度。存儲系統(tǒng)高速緩存存儲器（Cache）位于CPU和主存儲器之間，用于緩存常用的數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的訪問速度。主存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)，是CPU可以直接訪問的存儲器。輔助存儲器用于存儲大量的數(shù)據(jù)和程序，例如硬盤、U盤等。存儲器的層次結(jié)構(gòu)1CPU寄存器速度最快，容量最小。2高速緩存存儲器（Cache）速度較快，容量較小。3主存儲器速度適中，容量適中。4輔助存儲器速度較慢，容量較大。高速緩沖存儲器（Cache）1Cache原理利用程序訪問的局部性原理，將常用的數(shù)據(jù)和指令存儲在Cache中，提高CPU的訪問速度。2Cache映射方式包括直接映射、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射等。3Cache替換算法包括最近最少使用（LRU）算法、先進先出（FIFO）算法等。主存儲器DRAM動態(tài)隨機訪問存儲器，需要定期刷新，容量較大，速度較慢。SRAM靜態(tài)隨機訪問存儲器，不需要定期刷新，速度較快，容量較小。ROM只讀存儲器，用于存儲固定的程序和數(shù)據(jù)，例如BIOS。輔助存儲器硬盤機械硬盤（HDD）和固態(tài)硬盤（SSD）。1U盤基于閃存的存儲設(shè)備。2光盤CD、DVD、藍光光盤。3虛擬存儲器虛擬地址程序使用的地址，與物理地址無關(guān)。物理地址實際的存儲器地址。地址映射將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程，由操作系統(tǒng)完成。頁面置換當物理內(nèi)存不足時，將部分頁面從內(nèi)存移到硬盤，騰出空間給新的頁面。主存儲器的組織與管理存儲分配將存儲空間分配給程序和數(shù)據(jù)。存儲保護防止程序訪問不屬于自己的存儲空間。存儲共享允許多個程序共享同一存儲空間。半導體存儲器的原理與應(yīng)用DRAM利用電容存儲信息，需要定期刷新，容量大，成本低，速度相對較慢，廣泛應(yīng)用于主存儲器。SRAM利用觸發(fā)器存儲信息，不需要刷新，速度快，成本高，容量小，常用于高速緩存。FlashMemory非易失性存儲器，斷電后信息不丟失，速度適中，容量大，廣泛應(yīng)用于U盤、固態(tài)硬盤等。指令系統(tǒng)指令格式操作碼+地址碼指令類型算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、控制轉(zhuǎn)移指令等尋址方式立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等指令格式1操作碼指出指令要執(zhí)行的操作，例如加、減、乘、除等。2地址碼指出操作數(shù)的地址，或者指出下一條要執(zhí)行的指令的地址。指令的類型1算術(shù)運算指令用于執(zhí)行算術(shù)運算，例如加、減、乘、除等。2邏輯運算指令用于執(zhí)行邏輯運算，例如與、或、非、異或等。3數(shù)據(jù)傳輸指令用于在存儲器和寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)。4控制轉(zhuǎn)移指令用于改變程序的執(zhí)行順序，例如跳轉(zhuǎn)指令、條件分支指令等。尋址方式立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中。直接尋址指令中包含操作數(shù)的地址。間接尋址指令中包含操作數(shù)地址的地址。寄存器尋址操作數(shù)存儲在寄存器中。寄存器間接尋址指令中包含存儲操作數(shù)地址的寄存器。CISC與RISC指令集CISC復(fù)雜指令集計算機，指令數(shù)量多，指令格式復(fù)雜，尋址方式多樣，指令執(zhí)行時間不確定。RISC精簡指令集計算機，指令數(shù)量少，指令格式簡單，尋址方式簡單，指令執(zhí)行時間確定。匯編語言程序設(shè)計基礎(chǔ)1匯編指令與機器指令一一對應(yīng)，可讀性較好。2偽指令不是真正的機器指令，用于控制匯編過程。3匯編程序?qū)R編語言程序翻譯成機器語言程序。中央處理器（CPU）運算器執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。控制器控制指令的執(zhí)行順序，協(xié)調(diào)各個部件的工作。寄存器存儲數(shù)據(jù)和指令。高速緩存緩存常用的數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的訪問速度。CPU的功能與組成取指令從存儲器中取出指令。譯碼分析指令的操作碼和地址碼。執(zhí)行根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。指令周期取指令周期從存儲器中取出指令。1譯碼周期分析指令的操作碼和地址碼。2執(zhí)行周期根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。3時序系統(tǒng)時鐘信號控制CPU的各個部件協(xié)調(diào)工作?？刂菩盘柨刂聘鱾€部件執(zhí)行相應(yīng)的操作?？偩€信號在各個部件之間傳輸數(shù)據(jù)?？刂破鞯脑O(shè)計方法微程序控制器將指令的執(zhí)行過程編寫成微程序，存儲在控制存儲器中，通過執(zhí)行微程序來控制指令的執(zhí)行。硬布線控制器使用硬件電路直接實現(xiàn)指令的控制邏輯，速度快，但設(shè)計復(fù)雜，不易修改。微程序控制器微指令控制存儲器中存儲的指令，用于控制各個部件執(zhí)行相應(yīng)的操作。微程序由一系列微指令組成的程序，用于實現(xiàn)一條機器指令的執(zhí)行。硬布線控制器組合邏輯使用組合邏輯電路實現(xiàn)指令的控制邏輯。時序邏輯使用時序邏輯電路控制指令的執(zhí)行順序。流水線技術(shù)指令流水線將指令的執(zhí)行過程分解成多個階段，每個階段由不同的部件完成，實現(xiàn)指令的并行執(zhí)行，提高CPU的吞吐量?？偩€系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)。1地址總線用于傳輸?shù)刂贰?控制總線用于傳輸控制信號。3總線的概念與分類按傳輸方式分并行總線、串行總線按連接部件分內(nèi)部總線、外部總線總線結(jié)構(gòu)1單總線結(jié)構(gòu)2雙總線結(jié)構(gòu)3三總線結(jié)構(gòu)總線控制1總線仲裁解決多個設(shè)備同時請求使用總線的問題。2總線傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的傳輸?？偩€標準PCIPeripheralComponentInterconnect，一種并行總線標準，廣泛應(yīng)用于個人計算機。USBUniversalSerialBus，一種串行總線標準，廣泛應(yīng)用于各種外部設(shè)備。輸入/輸出系統(tǒng)I/O接口CPU與外部設(shè)備之間的橋梁。I/O方式CPU與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。中斷技術(shù)外部設(shè)備通過中斷請求通知CPU。DMA技術(shù)DirectMemoryAccess，外部設(shè)備直接訪問存儲器，無需CPU參與。I/O接口功能數(shù)據(jù)緩沖、地址譯碼、控制信號轉(zhuǎn)換、中斷管理類型并行接口、串行接口I/O方式程序查詢方式CPU不斷查詢外部設(shè)備的狀態(tài)，效率低。中斷方式外部設(shè)備通過中斷請求通知CPU，CPU響應(yīng)中斷請求后進行數(shù)據(jù)傳輸，效率較高。DMA方式外部設(shè)備直接訪問存儲器，無需CPU參與，效率最高。中斷技術(shù)中斷請求外部設(shè)備向CPU發(fā)出中斷請求。中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷請求，保存當前程序的現(xiàn)場。中斷處理CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理中斷事件。中斷返回CPU恢復(fù)被中斷程序的現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。DMA技術(shù)DMA控制器負責控制外部設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。I/O設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、鼠標、掃描儀等。1輸出設(shè)備顯示器、打印機、音箱等。2存儲設(shè)備硬盤、U盤、