《計算機組成原理》課件歡迎來到《計算機組成原理》課程，我們將共同探索計算機內(nèi)部結構，理解其工作原理，并學習如何設計和實現(xiàn)高效的計算系統(tǒng)。課程簡介課程目標本課程旨在幫助學生了解計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理，掌握計算機硬件的組成和功能，并能運用這些知識進行計算機系統(tǒng)的分析和設計。課程內(nèi)容本課程將涵蓋以下內(nèi)容：計算機系統(tǒng)概述、計算機硬件的發(fā)展歷程、數(shù)據(jù)的表示和運算、存儲系統(tǒng)、CPU的工作過程、指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、總線結構、緩存技術、虛擬存儲器、操作系統(tǒng)與硬件的關系以及并行處理技術等。計算機系統(tǒng)概述硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)是指計算機的物理組成部分，包括中央處理器(CPU)、存儲器、輸入輸出設備等。硬件系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)提供運行平臺和資源。軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)是指為計算機提供指令和數(shù)據(jù)的程序集合，包括操作系統(tǒng)、應用程序等。軟件系統(tǒng)通過硬件系統(tǒng)的執(zhí)行，實現(xiàn)特定功能和任務。計算機硬件的發(fā)展歷程1第一代：電子管計算機(1946-1959)使用電子管作為主要元件，體積龐大、功耗高、速度慢，以ENIAC和EDSAC為代表。2第二代：晶體管計算機(1959-1964)使用晶體管代替電子管，體積縮小、功耗降低、速度提高，以IBM1401和IBM7090為代表。3第三代：集成電路計算機(1964-1971)使用集成電路代替晶體管，體積進一步縮小、功耗更低、速度更快，以IBM360系列為代表。4第四代：大規(guī)模集成電路計算機(1971-至今)使用大規(guī)模集成電路，計算機的性能和功能不斷提升，出現(xiàn)了微型計算機、個人計算機和超級計算機等。計算機硬件的基本組成單元中央處理器(CPU)計算機的核心部件，負責執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)處理。存儲器用于存儲數(shù)據(jù)和程序，包括主存儲器(RAM)和輔助存儲器(硬盤、閃存等)。輸入輸出設備(I/O)用于與外部世界交互，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。系統(tǒng)總線連接各個部件的通信通道，用于傳遞數(shù)據(jù)和控制信號。數(shù)據(jù)的表示二進制數(shù)制使用0和1兩種數(shù)字表示數(shù)據(jù)，是計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲和處理的基礎。十進制數(shù)制我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)制，使用0到9十個數(shù)字表示數(shù)據(jù)。其他數(shù)制還包括八進制和十六進制等，常用于簡化二進制數(shù)據(jù)的表示。數(shù)制轉換1十進制轉換為二進制不斷除以2取余數(shù)，余數(shù)按逆序排列即為二進制數(shù)。2二進制轉換為十進制將二進制數(shù)的每一位乘以2的對應位權，然后相加得到十進制數(shù)。3其他數(shù)制轉換可先將其他數(shù)制轉換為二進制，然后再轉換為十進制。運算方式1加法運算：兩個數(shù)相加。2減法運算：兩個數(shù)相減。3乘法運算：兩個數(shù)相乘。4除法運算：兩個數(shù)相除。5取模運算：求兩個數(shù)相除的余數(shù)。邏輯運算與運算只有當兩個操作數(shù)都為真時，結果才為真?；蜻\算只要有一個操作數(shù)為真，結果就為真。非運算將操作數(shù)取反。異或運算當兩個操作數(shù)不同時，結果為真。存儲單元存儲單元的地址每個存儲單元都有一個唯一的地址，用于標識存儲單元的位置。存儲單元的內(nèi)容存儲單元中存儲的是數(shù)據(jù)，可以是數(shù)值、字符、指令等。寄存器通用寄存器用于存放通用數(shù)據(jù)，可供CPU進行各種運算。地址寄存器用于存放內(nèi)存地址，用于訪問存儲器。程序計數(shù)器(PC)用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址。狀態(tài)寄存器用于存放CPU的狀態(tài)信息，例如進位標志、溢出標志等。存儲器層次結構1高速緩存(Cache)速度最快、容量最小，用于存放經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。2主存儲器(RAM)速度較快、容量中等，用于存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)。3輔助存儲器(硬盤)速度最慢、容量最大，用于長期保存數(shù)據(jù)。RAM和ROMRAM(隨機存取存儲器)可讀寫，速度快，斷電后數(shù)據(jù)丟失。ROM(只讀存儲器)只能讀，速度慢，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。存儲器的性能指標1容量存儲器能夠存儲的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)(Byte)或字(Word)。2速度存儲器訪問數(shù)據(jù)的速度，單位為納秒(ns)或微秒(us)。3價格存儲器每單位容量的價格，單位為元/GB或美元/GB。CPU的工作過程取指令從存儲器中讀取指令。1解碼指令分析指令，確定指令的操作和操作數(shù)。2執(zhí)行指令根據(jù)指令的操作，對數(shù)據(jù)進行處理。3寫回結果將處理結果寫入存儲器。4CPU的基本結構運算器執(zhí)行算術和邏輯運算。控制器控制整個計算機系統(tǒng)的運行，包括指令的獲取、解碼和執(zhí)行。寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和指令，加快CPU的訪問速度。內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部各個部件，傳遞數(shù)據(jù)和控制信號。中央處理器算術邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術和邏輯運算?？刂茊卧?CU)控制整個計算機系統(tǒng)的運行，包括指令的獲取、解碼和執(zhí)行。寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和指令，加快CPU的訪問速度?？刂茊卧噶钭g碼將指令的二進制代碼翻譯成控制信號。指令執(zhí)行控制根據(jù)譯碼結果，控制各個部件完成指令的操作。時序控制控制各部件的操作順序和時間。算術邏輯單元算術運算加減乘除等運算。邏輯運算與、或、非等運算。移位運算將數(shù)據(jù)向左或向右移動。比較運算比較兩個操作數(shù)的大小。指令格式指令執(zhí)行過程1取指令從存儲器中讀取指令。2指令譯碼分析指令，確定指令的操作和操作數(shù)。3執(zhí)行指令根據(jù)指令的操作，對數(shù)據(jù)進行處理。4寫回結果將處理結果寫入存儲器。流水線技術概念流水線技術將指令執(zhí)行過程分解成多個階段，每個階段完成一個特定的操作，多個指令可以同時在不同的階段執(zhí)行，提高了CPU的效率。優(yōu)點提高指令執(zhí)行速度，提高系統(tǒng)吞吐量。中斷機制1概念中斷機制允許CPU在執(zhí)行程序時，根據(jù)外部事件或內(nèi)部異常情況，暫停當前程序的執(zhí)行，轉而去處理中斷事件。2類型包括硬件中斷和軟件中斷。3作用提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)多任務處理，提供實時響應能力。輸入輸出系統(tǒng)鍵盤用于輸入字符和控制指令。鼠標用于控制光標移動和選擇操作。顯示器用于顯示輸出信息。打印機用于將計算機輸出的信息打印出來。I/O接口功能負責協(xié)調(diào)CPU和I/O設備之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制。作用將不同的I/O設備連接到計算機系統(tǒng)，為各種設備提供標準化的接口。I/O控制方式1程序控制方式CPU直接控制I/O設備，效率低，占用CPU資源。2中斷控制方式I/O設備通過中斷信號通知CPU，效率較高，但CPU需要響應中斷。3DMA控制方式直接內(nèi)存訪問，不需要CPU干預，效率最高，適用于大量數(shù)據(jù)傳輸。DMA技術概念直接內(nèi)存訪問(DMA)技術允許I/O設備直接與主存儲器進行數(shù)據(jù)交換，不需要CPU的參與。優(yōu)點提高數(shù)據(jù)傳輸速度，減輕CPU負擔，提高系統(tǒng)效率。應用適用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，例如磁盤讀寫、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。總線結構地址總線用于傳送地址信息。1數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)信息。2控制總線用于傳送控制信號。3總線的分類內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部各個部件的總線。系統(tǒng)總線連接CPU、存儲器、I/O設備的總線。外部總線連接系統(tǒng)內(nèi)部和外部設備的總線?？偩€的時序和仲裁時序定義了總線上傳輸數(shù)據(jù)的順序和時間關系。仲裁當多個設備同時請求使用總線時，仲裁機制決定哪個設備可以優(yōu)先使用總線。主存訪問控制地址譯碼根據(jù)CPU發(fā)出的地址，確定訪問的存儲單元。讀寫操作根據(jù)CPU的讀寫信號，完成讀寫操作。數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)在CPU和存儲器之間傳輸。緩存技術1概念緩存技術利用局部性原理，將經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)復制到速度更快的緩存中，提高了主存訪問速度。2分類包括一級緩存、二級緩存、三級緩存等。3作用提高CPU的效率，加快程序的執(zhí)行速度。虛擬存儲器概念虛擬存儲器技術將主存儲器和輔助存儲器一起管理，為程序提供更大的虛擬地址空間。優(yōu)點可以運行比物理內(nèi)存更大的程序，提高系統(tǒng)效率。缺點訪問速度會比物理內(nèi)存慢。操作系統(tǒng)與計算機硬件的關系1操作系統(tǒng)是計算機硬件與應用程序之間的接口，負責管理硬件資源。2操作系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)用，允許應用程序訪問硬件資源。3操作系統(tǒng)負責內(nèi)存管理、文件管理、進程管理、設備管理等。并行處理技術概念并行處理技術是指同時執(zhí)行多個任務的技術，可以提高計算機的計算速度。類型包括多核處理器、多處理器系統(tǒng)、并行計算等。多核處理器概念多核處理器是指在一個芯片上集成多個CPU內(nèi)核，每個內(nèi)核可以獨立運行程序。優(yōu)點提高了計算機的計算能力，可以同時運行多個程序。缺點設計和編程難度增加，需要考慮多核協(xié)作的問題。圖形處理器概念圖形處理器(GPU)專為圖形處理和并行計算而設計，可以加速圖像渲染、視頻處理、游戲等任務。特點具有高度并行處理能力，可以同時處理大量的圖形數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)1概念嵌入式系統(tǒng)是指將計算機系統(tǒng)嵌入到其他設備中，用于控制設備的