《計算機組成原理與維護》課件

計算機組成原理與維護課程簡介：學習目標與內(nèi)容學習目標理解計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理；掌握數(shù)據(jù)的表示和運算方法；熟悉存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、總線系統(tǒng)和中央處理器的結(jié)構(gòu)與功能；掌握計算機的啟動過程、病毒防護和常見故障的診斷與排除方法；了解計算機硬件升級、系統(tǒng)性能優(yōu)化、虛擬機技術(shù)、云計算基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)以及計算機發(fā)展趨勢。課程內(nèi)容計算機系統(tǒng)概述：硬件與軟件計算機硬件計算機硬件是指構(gòu)成計算機系統(tǒng)的各種物理設(shè)備，包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出設(shè)備、總線等。硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是軟件運行的載體。計算機軟件計算機軟件是指控制和管理計算機硬件資源、實現(xiàn)各種應(yīng)用功能的程序和數(shù)據(jù)。軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是計算機系統(tǒng)的核心，負責管理和控制硬件資源；應(yīng)用軟件則是為了滿足用戶的特定需求而開發(fā)的程序。軟硬件關(guān)系計算機發(fā)展簡史1第一代（1946-1958）電子管計算機，體積大、功耗高、速度慢，主要用于科學計算。2第二代（1958-1964）晶體管計算機，體積減小、功耗降低、速度提高，開始應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。3第三代（1964-1970）集成電路計算機，體積更小、功耗更低、速度更快，操作系統(tǒng)和高級語言得到發(fā)展。4第四代（1970至今）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。2操作系統(tǒng)層管理和控制硬件資源，提供用戶接口。3指令集體系結(jié)構(gòu)層定義計算機的指令集和尋址方式。4微體系結(jié)構(gòu)層實現(xiàn)指令集體系結(jié)構(gòu)的具體硬件結(jié)構(gòu)。5硬件層數(shù)據(jù)的表示與運算：數(shù)制與編碼數(shù)制計算機中常用的數(shù)制包括二進制、八進制、十進制和十六進制。不同的數(shù)制有不同的表示方法和運算規(guī)則。二進制是計算機內(nèi)部使用的數(shù)制，八進制和十六進制則常用于簡化二進制的表示。編碼定點數(shù)的表示與運算1定點數(shù)的表示定點數(shù)是指小數(shù)點位置固定的數(shù)。定點數(shù)可以分為整數(shù)和純小數(shù)兩種類型。整數(shù)的小數(shù)點位于最低位的右側(cè)，而純小數(shù)的小數(shù)點位于最高位的左側(cè)。定點數(shù)的表示方法包括原碼、反碼和補碼。定點數(shù)的運算浮點數(shù)的表示與運算浮點數(shù)的表示浮點數(shù)是指小數(shù)點位置不固定的數(shù)。浮點數(shù)可以表示更大范圍的數(shù)，并且可以保持一定的精度。浮點數(shù)的表示方法包括IEEE754標準等。IEEE754標準定義了浮點數(shù)的格式、精度和運算規(guī)則。浮點數(shù)的運算浮點數(shù)的運算包括加法、減法、乘法和除法。浮點數(shù)的運算需要進行對階、尾數(shù)運算和規(guī)格化等步驟。浮點數(shù)的運算也需要注意溢出和舍入誤差問題。算術(shù)邏輯單元（ALU）ALU的功能ALU是計算機中的核心部件，負責執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算。算術(shù)運算包括加法、減法、乘法和除法，邏輯運算包括與、或、非、異或等。ALU的組成ALU通常由加法器、移位器、邏輯運算電路和控制電路等組成。加法器負責執(zhí)行加法運算，移位器負責執(zhí)行移位運算，邏輯運算電路負責執(zhí)行邏輯運算，控制電路負責控制ALU的各種操作。ALU的設(shè)計與實現(xiàn)加法器的設(shè)計加法器可以使用半加器、全加器和超前進位加法器等實現(xiàn)。不同的加法器有不同的性能和復雜度。1移位器的設(shè)計移位器可以使用邏輯移位器、算術(shù)移位器和循環(huán)移位器等實現(xiàn)。不同的移位器有不同的移位規(guī)則。2邏輯運算電路的設(shè)計邏輯運算電路可以使用與門、或門、非門和異或門等實現(xiàn)。不同的邏輯門有不同的邏輯功能。3存儲系統(tǒng)：存儲器的分類按存儲介質(zhì)分類存儲器可以分為半導體存儲器、磁表面存儲器和光盤存儲器等。半導體存儲器包括RAM和ROM，磁表面存儲器包括硬盤和磁帶，光盤存儲器包括CD-ROM和DVD-ROM。按存儲方式分類存儲器可以分為隨機存儲器、順序存儲器和相聯(lián)存儲器等。隨機存儲器可以隨機訪問任何存儲單元，順序存儲器只能按順序訪問存儲單元，相聯(lián)存儲器可以根據(jù)內(nèi)容訪問存儲單元。按用途分類存儲器可以分為主存儲器和外存儲器等。主存儲器用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)，外存儲器用于存儲長期保存的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器的組織與結(jié)構(gòu)主存儲器的組成主存儲器通常由存儲體、地址譯碼器和控制電路等組成。存儲體用于存儲數(shù)據(jù)，地址譯碼器用于將地址轉(zhuǎn)換為存儲單元的物理地址，控制電路用于控制主存儲器的讀寫操作。主存儲器的結(jié)構(gòu)主存儲器可以采用線性結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和多體結(jié)構(gòu)等。線性結(jié)構(gòu)的存儲單元按線性順序排列，二維結(jié)構(gòu)的存儲單元按行列排列，多體結(jié)構(gòu)的存儲單元分為多個模塊，可以并行訪問。高速緩沖存儲器（Cache）1Cache的概念Cache是一種高速小容量的存儲器，用于存儲主存儲器中經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。Cache可以提高計算機系統(tǒng)的訪問速度，減少CPU的等待時間。2Cache的原理Cache的原理是利用程序的局部性原理，即程序在執(zhí)行過程中會頻繁訪問某些數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)存儲在Cache中，可以提高程序的訪問速度。Cache的工作原理與優(yōu)化Cache的工作原理當CPU需要訪問數(shù)據(jù)時，首先在Cache中查找。如果Cache中存在所需數(shù)據(jù)，則直接從Cache中讀取；否則，從主存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到Cache中。Cache的優(yōu)化Cache的優(yōu)化包括提高Cache的命中率、減少Cache的缺失率和減少Cache的訪問時間等。常用的優(yōu)化方法包括增加Cache的容量、采用更先進的Cache算法和優(yōu)化程序的訪問模式。外存儲器：磁盤、光盤等磁盤磁盤是一種磁表面存儲器，可以存儲大量的數(shù)據(jù)。磁盤的優(yōu)點是容量大、價格低，缺點是訪問速度慢、容易損壞。光盤光盤是一種光存儲器，可以存儲數(shù)據(jù)、音頻和視頻等信息。光盤的優(yōu)點是體積小、易于攜帶，缺點是容量有限、容易劃傷。輸入/輸出系統(tǒng)：I/O接口I/O接口的功能I/O接口是計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的橋梁，負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、速度的匹配和控制信號的傳遞等功能。I/O接口的組成I/O接口通常由數(shù)據(jù)緩沖器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器等組成。數(shù)據(jù)緩沖器用于存儲數(shù)據(jù)，控制寄存器用于控制I/O接口的操作，狀態(tài)寄存器用于存儲I/O接口的狀態(tài)信息。I/O控制方式：程序查詢方式1程序查詢方式的原理程序查詢方式是指CPU通過循環(huán)查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)寄存器，判斷I/O設(shè)備是否準備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。如果I/O設(shè)備準備好，則CPU進行數(shù)據(jù)傳輸；否則，CPU繼續(xù)查詢。2程序查詢方式的優(yōu)缺點程序查詢方式的優(yōu)點是簡單易實現(xiàn)，缺點是CPU需要花費大量的時間進行查詢，效率較低。I/O控制方式：中斷方式中斷方式的原理中斷方式是指I/O設(shè)備在準備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，向CPU發(fā)送中斷請求。CPU接收到中斷請求后，暫停當前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完成后，CPU返回繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷方式的優(yōu)缺點中斷方式的優(yōu)點是CPU不需要花費大量的時間進行查詢，效率較高，缺點是需要中斷控制器的支持，實現(xiàn)較為復雜。I/O控制方式：DMA方式DMA方式的原理DMA（DirectMemoryAccess）方式是指I/O設(shè)備可以直接與主存儲器進行數(shù)據(jù)傳輸，無需CPU的干預。DMA控制器負責控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。1DMA方式的優(yōu)缺點DMA方式的優(yōu)點是CPU完全不需要參與數(shù)據(jù)傳輸，效率最高，缺點是需要DMA控制器的支持，實現(xiàn)最為復雜。2總線系統(tǒng)：總線的概念與分類總線的概念總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間傳遞信息的公共通道?？偩€可以減少計算機系統(tǒng)中部件之間的連接線數(shù)量，提高系統(tǒng)的可擴展性和靈活性?？偩€的分類總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線等。內(nèi)部總線用于連接計算機系統(tǒng)內(nèi)部的部件，如CPU、存儲器和I/O接口；外部總線用于連接計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備，如打印機、掃描儀和顯示器?？偩€結(jié)構(gòu)與標準1ISA總線一種傳統(tǒng)的總線標準，速度較慢。2PCI總線一種高速的總線標準，廣泛應(yīng)用于各種計算機系統(tǒng)。3AGP總線一種專門用于顯卡的總線標準，速度更快。4PCI-E總線一種最新的總線標準，速度更快、功能更強。中央處理器（CPU）：CPU的功能與組成CPU的功能CPU是計算機系統(tǒng)的核心部件，負責執(zhí)行指令、進行算術(shù)和邏輯運算、控制程序的執(zhí)行流程等。CPU的組成CPU通常由運算器、控制器、寄存器組和高速緩沖存儲器等組成。運算器負責執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，控制器負責控制程序的執(zhí)行流程，寄存器組用于存儲數(shù)據(jù)和指令，高速緩沖存儲器用于存儲經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。指令系統(tǒng)：指令格式1指令格式的概念指令格式是指指令的結(jié)構(gòu)和組成方式。指令格式包括操作碼和操作數(shù)兩部分。操作碼用于指定指令的操作類型，操作數(shù)用于指定指令的操作對象。2常見的指令格式常見的指令格式包括零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令等。不同的指令格式有不同的操作數(shù)數(shù)量和尋址方式。指令類型數(shù)據(jù)傳送指令用于將數(shù)據(jù)從一個存儲單元傳送到另一個存儲單元。算術(shù)運算指令用于進行加、減、乘、除等算術(shù)運算。邏輯運算指令用于進行與、或、非、異或等邏輯運算?？刂妻D(zhuǎn)移指令用于控制程序的執(zhí)行流程，如跳轉(zhuǎn)、循環(huán)和調(diào)用等。指令尋址方式立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中。1直接尋址指令中包含操作數(shù)的地址。2間接尋址指令中包含操作數(shù)地址的地址。3寄存器尋址指令中包含操作數(shù)所在的寄存器編號。4控制器的設(shè)計：硬布線控制器硬布線控制器的原理硬布線控制器是指使用硬件電路實現(xiàn)指令的控制邏輯。硬布線控制器的優(yōu)點是速度快，缺點是靈活性差，難以修改和擴展。硬布線控制器的設(shè)計硬布線控制器的設(shè)計需要根據(jù)指令系統(tǒng)的特點，設(shè)計相應(yīng)的控制信號和時序電路。常用的設(shè)計方法包括狀態(tài)機設(shè)計和微操作序列設(shè)計等。微程序控制器微程序控制器的原理微程序控制器是指使用微程序?qū)崿F(xiàn)指令的控制邏輯。微程序控制器將指令分解為一系列微操作，并將這些微操作存儲在控制存儲器中。執(zhí)行指令時，從控制存儲器中讀取微操作序列，依次執(zhí)行。微程序控制器的優(yōu)點微程序控制器的優(yōu)點是靈活性好，易于修改和擴展，缺點是速度慢。流水線技術(shù)：流水線的概念與原理1流水線的概念流水線技術(shù)是指將指令的執(zhí)行過程分解為多個階段，每個階段由不同的硬件部件完成。多條指令可以同時在不同的階段執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率。2流水線的原理流水線的原理是利用指令執(zhí)行過程中的并行性，將指令的執(zhí)行過程分解為多個階段，每個階段并行執(zhí)行。這樣可以提高指令的吞吐率，縮短程序的執(zhí)行時間。流水線的性能分析流水線的加速比流水線的加速比是指使用流水線技術(shù)后，程序的執(zhí)行時間縮短的倍數(shù)。加速比取決于流水線的深度、指令的執(zhí)行時間和流水線的阻塞情況。流水線的效率流水線的效率是指流水線的實際吞吐率與最大吞吐率之比。效率取決于流水線的阻塞情況和指令的調(diào)度策略。多核處理器：多核架構(gòu)概述多核處理器的概念多核處理器是指在一個芯片上集成多個CPU核心。每個CPU核心可以獨立執(zhí)行指令，從而提高計算機系統(tǒng)的并行處理能力。1多核架構(gòu)的類型多核架構(gòu)可以分為對稱多處理器（SMP）和非對稱多處理器（AMP）等。SMP架構(gòu)中，每個CPU核心共享相同的存儲器和I/O資源；AMP架構(gòu)中，每個CPU核心擁有獨立的存儲器和I/O資源。2多核處理器的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)多核處理器的優(yōu)勢提高并行處理能力，縮短程序的執(zhí)行時間；提高系統(tǒng)的吞吐率，提高用戶的響應(yīng)速度；降低系統(tǒng)的功耗，提高能源利用率。多核處理器的挑戰(zhàn)需要重新設(shè)計程序，充分利用多核處理器的并行處理能力；需要解決多核處理器之間的同步和通信問題；需要解決多核處理器的資源分配和調(diào)度問題。計算機的啟動過程：BIOS與啟動盤BIOS的功能BIOS（BasicInput/OutputSystem）是計算機啟動時首先執(zhí)行的程序，負責初始化硬件設(shè)備、檢測系統(tǒng)配置和引導操作系統(tǒng)。啟動盤的功能啟動盤是一種特殊的存儲介質(zhì)，包含引導操作系統(tǒng)的程序。當計算機無法從硬盤啟動時，可以使用啟動盤引導操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)引導過程1加載引導扇區(qū)BIOS將啟動盤的引導扇區(qū)加載到內(nèi)存中。2執(zhí)行引導程序引導程序負責加載操作系統(tǒng)的內(nèi)核。3加載操作系統(tǒng)內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)核被加載到內(nèi)存中，并開始執(zhí)行。4初始化操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)初始化各種系統(tǒng)資源，并啟動各種系統(tǒng)服務(wù)。計算機病毒與防護計算機病毒的類型計算機病毒可以分為文件型病毒、引導型病毒和宏病毒等。不同類型的病毒有不同的傳播方式和危害程度。計算機病毒的傳播方式計算機病毒可以通過移動存儲介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)和電子郵件等方式傳播。用戶需要提高安全意識，避免下載和打開來源不明的文件。計算機病毒的防護安裝殺毒軟件、防火墻和惡意軟件掃描器等可以有效防護計算機病毒。用戶需要定期更新殺毒軟件的病毒庫，并進行全面的系統(tǒng)掃描。計算機硬件故障診斷：常用工具與方法常用工具萬用表、示波器、邏輯分析儀等。1常用方法觀察法、替換法、比較法等。2主板故障診斷與排除常見故障無法啟動、啟動異常、接口損壞等。診斷與排除觀察法、替換法、測量法等。內(nèi)存故障診斷與排除常見故障無法啟動、藍屏、程序崩潰等。診斷與排除Memtest86、替換法等。硬盤故障診斷與排除1常見故障無法識別、讀寫錯誤、壞道等。2診斷與排除HDTune、替換法等。顯卡故障診斷與排除常見故障無法顯示、花屏、驅(qū)動問題等。診斷與排除替換法、驅(qū)動更新等。電源故障診斷與排除常見故障無法啟動、供電不足、燒毀等。1診斷與排除萬用表、替換法等。2常見軟件故障與維護操作系統(tǒng)故障藍屏、崩潰、啟動問題等。應(yīng)用軟件故障無法啟動、運行錯誤、卡頓等。操作系統(tǒng)維護與優(yōu)化系統(tǒng)清理清理垃圾文件、臨時文件等。磁盤整理整理磁盤碎片，提高訪問速度。啟動項管理管理啟動項，縮短啟動時間。驅(qū)動程序的安裝與更新1驅(qū)動程序的作用驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁。2驅(qū)動程序的安裝手動安裝、自動安裝等。3驅(qū)動程序的更新定期更新驅(qū)動程序，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)備份與恢復數(shù)據(jù)備份定期備份重要數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)恢復使用備份文件恢復丟失的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)安全設(shè)置與防范防火墻設(shè)置開啟防火墻，阻止未經(jīng)授權(quán)的訪問。1密碼設(shè)置設(shè)置強密碼，防止密碼破解。2權(quán)限管理合理分配用戶權(quán)限，防止惡意操作。3計算機硬件升級：CPU升級CPU選購根據(jù)需求選擇合適的CPU。CPU安裝按照說明書安裝CPU。CPU測試測試CPU穩(wěn)定性。內(nèi)存升級內(nèi)存選購根據(jù)主板選擇合適的內(nèi)存。內(nèi)存安裝按照說明書安裝內(nèi)存。內(nèi)存測試測試內(nèi)存穩(wěn)定性。硬盤升級1硬盤選購根據(jù)需求選擇合適的硬盤。2硬盤安裝按照說明書安裝硬盤。3硬盤測試測試硬盤性能。顯卡升級顯卡選購根據(jù)需求選擇合適的顯卡。顯卡安裝按照說明書安裝顯卡。顯卡測試測試顯卡性能。計算機組裝與配置：硬件選購CPU選擇合適的CPU型號。1主板選擇兼容的主板型號。2