廣工計算機組成原理課件

廣工計算機組成原理課件CATALOGUE目錄計算機系統(tǒng)概述運算方法與運算器存儲系統(tǒng)指令系統(tǒng)與中央處理器（CPU）輸入輸出系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的發(fā)展與展望計算機系統(tǒng)概述CATALOGUE01硬件計算機的物理組件，包括中央處理器、內存、存儲設備、輸入輸出設備等。軟件運行在計算機上的程序和數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。操作系統(tǒng)管理計算機硬件和軟件資源的軟件，提供用戶界面和系統(tǒng)服務。計算機系統(tǒng)的基本組成物理硬件組件，包括中央處理器、內存、存儲設備和輸入輸出設備等。硬件層管理硬件資源的軟件，提供系統(tǒng)調用接口和用戶界面。操作系統(tǒng)層運行在操作系統(tǒng)上的應用程序，為用戶提供各種服務。應用層用戶與計算機交互的界面，包括命令行界面和圖形用戶界面等。用戶層計算機系統(tǒng)的層次結構計算機的工作過程計算機從內存中讀取指令并執(zhí)行，完成指定的操作。計算機對數(shù)據(jù)進行運算和處理，得到所需的結果。計算機接收外部輸入并輸出結果，與外部設備進行交互。計算機進行系統(tǒng)維護和管理，保證系統(tǒng)的正常運行。指令執(zhí)行數(shù)據(jù)處理輸入輸出系統(tǒng)維護運算方法與運算器CATALOGUE02定點數(shù)的概念在計算機中，整數(shù)和小數(shù)都可以用定點數(shù)表示。定點數(shù)是指小數(shù)點固定在某一位置的數(shù)，通常用于表示整數(shù)和小數(shù)。定點數(shù)的表示定點數(shù)可以用二進制、十進制或十六進制表示。在二進制表示中，小數(shù)點左邊是整數(shù)部分，右邊是小數(shù)部分。定點數(shù)的運算定點數(shù)的運算包括加法、減法、乘法和除法等。在進行運算時，需要遵循二進制數(shù)的運算規(guī)則，如無符號二進制數(shù)的加法和減法規(guī)則等。定點數(shù)的表示與運算浮點數(shù)的概念浮點數(shù)是用來表示帶有小數(shù)點的實數(shù)的數(shù)。在計算機中，浮點數(shù)通常由符號位、指數(shù)位和尾數(shù)位組成。浮點數(shù)的表示浮點數(shù)可以用IEEE754標準表示。該標準規(guī)定了單精度和雙精度兩種格式，其中單精度格式由1位符號位、8位指數(shù)位和23位尾數(shù)位組成，雙精度格式由1位符號位、11位指數(shù)位和52位尾數(shù)位組成。浮點數(shù)的運算浮點數(shù)的運算包括加法、減法、乘法和除法等。在進行運算時，需要遵循IEEE754標準的運算規(guī)則，如加法規(guī)則、乘法規(guī)則等。浮點數(shù)的表示與運算運算器是計算機中執(zhí)行算術和邏輯運算的部件，主要完成定點數(shù)和浮點數(shù)的加法、減法、乘法和除法等運算。運算器的概念運算器的基本工作原理是按照指令的要求，從內存中取出數(shù)據(jù)，進行指定的運算，并將結果存儲回內存中。在進行運算時，運算器會根據(jù)指令對數(shù)據(jù)進行操作碼和操作數(shù)的解析，然后根據(jù)操作碼執(zhí)行相應的操作。運算器的工作原理運算器的工作原理算術邏輯單元（ALU）是計算機中實現(xiàn)算術和邏輯運算的電路部件，主要完成二進制數(shù)的算術運算和邏輯運算。ALU的概念ALU的基本工作原理是根據(jù)指令的要求，對輸入的操作數(shù)進行指定的算術運算或邏輯運算，并輸出結果。ALU通常由多個門電路組成，如與門、或門、非門等，這些門電路組合在一起可以實現(xiàn)各種算術和邏輯運算。ALU的工作原理算術邏輯單元（ALU）存儲系統(tǒng)CATALOGUE03按存儲介質、按存取方式、按工作方式等。存儲容量、存取時間、可靠性、功耗等。存儲器的分類與性能指標性能指標存儲器的分類分類靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）。特點可隨機讀寫數(shù)據(jù)，存取速度快，但斷電后數(shù)據(jù)會丟失。工作原理利用雙穩(wěn)態(tài)電路的存儲原理，通過時鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)存儲單元的讀寫操作。半導體隨機存取存儲器（RAM）工作原理分類特點只讀存儲器（ROM）存儲單元內部結構不同，分為熔絲型、肖特基型、雙極型和MOS型等。掩膜只讀存儲器（MROM）、可編程只讀存儲器（PROM）、紫外線擦除可編程只讀存儲器（EPROM）和電擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）。數(shù)據(jù)只能寫入一次，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，但寫入數(shù)據(jù)困難。分類一級緩存（L1Cache）、二級緩存（L2Cache）等。特點存取速度接近CPU速度，但容量較小，用于緩解CPU和主存之間的速度差異。工作原理利用程序訪問的局部性原理，將頻繁訪問的指令和數(shù)據(jù)暫存至高速緩沖存儲器中，以減少對主存的訪問時間。高速緩沖存儲器（Cache）指令系統(tǒng)與中央處理器（CPU）CATALOGUE04指令系統(tǒng)定義指令系統(tǒng)是計算機硬件與軟件之間的接口，由一組指令集構成，用于實現(xiàn)計算機的基本功能。指令系統(tǒng)的特點指令系統(tǒng)決定了計算機的基本功能、操作性能和編程語言的特點。指令的分類根據(jù)指令的功能，可以將指令分為算術邏輯指令、控制指令、輸入輸出指令等。指令系統(tǒng)的基本概念030201指令格式與尋址方式指令格式指令格式包括操作碼和地址碼兩部分，操作碼表示指令的操作類型，地址碼表示操作數(shù)或操作數(shù)的地址。尋址方式尋址方式是指確定操作數(shù)所在內存單元地址的方法，常見的尋址方式有立即尋址、寄存器尋址、內存直接尋址、間接尋址等。指令執(zhí)行的控制方式定義指令執(zhí)行的控制方式是指控制指令執(zhí)行流程的方法，包括順序執(zhí)行、分支執(zhí)行和循環(huán)執(zhí)行等。指令執(zhí)行的控制方式的實現(xiàn)通過改變程序計數(shù)器的值來實現(xiàn)指令的順序執(zhí)行和分支執(zhí)行，通過設置條件標志位來實現(xiàn)循環(huán)控制。指令執(zhí)行的控制方式VSCPU由運算器、控制器、寄存器組等組成，運算器負責進行算術邏輯運算，控制器負責控制指令執(zhí)行流程，寄存器組用于存儲數(shù)據(jù)和地址。CPU的工作過程CPU的工作過程包括取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回等五個階段，取指階段從內存中取指令并存入寄存器，譯碼階段對操作碼進行解碼并生成相應的控制信號，執(zhí)行階段根據(jù)控制信號完成相應的操作，訪存階段訪問內存以獲取數(shù)據(jù)或地址，寫回階段將運算結果寫回內存或寄存器中。CPU的結構CPU的結構和工作過程輸入輸出系統(tǒng)CATALOGUE05外圍設備是與計算機直接交互的外部設備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。輸入輸出接口是連接外圍設備和計算機之間的橋梁，負責數(shù)據(jù)的傳輸和控制。外圍設備輸入輸出接口外圍設備與輸入輸出接口數(shù)據(jù)傳送控制方式DMA方式是直接內存存取方式，即外圍設備和內存之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，不需要CPU的干預。DMA方式程序控制方式是通過程序來控制數(shù)據(jù)傳送的，即通過CPU發(fā)出指令來控制數(shù)據(jù)的輸入輸出。程序控制方式中斷方式是通過中斷來控制數(shù)據(jù)傳送的，即當外圍設備需要輸入或輸出數(shù)據(jù)時，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應后進行數(shù)據(jù)傳輸。中斷方式輸入輸出設備舉例鍵盤、鼠標、掃描儀、攝像頭等。輸入設備顯示器、打印機、音響等。輸出設備計算機系統(tǒng)的發(fā)展與展望CATALOGUE06通過提升處理器速度、增加內存和存儲容量等硬件升級手段，提高計算機系統(tǒng)的性能。硬件升級利用多核處理器或多線程技術，實現(xiàn)并行處理，加快計算速度。并行處理通過改進算法和軟件優(yōu)化，減少計算時間和資源消耗，提高系統(tǒng)性能。算法優(yōu)化計算機系統(tǒng)的性能提高途徑03并行處理與分布式系統(tǒng)的關系并行處理是分布式系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方式，通過并行處理技術可以提高分布式系統(tǒng)的性能和效率。01并行處理技術利用多個處理器同時處理任務，加快計算速度，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和高性能計算。02分布式系統(tǒng)將多個計算機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連接，協(xié)同完成復雜任務，具有可擴展性和可靠性。并行處理技術與分布式系統(tǒng)隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計算機系統(tǒng)結構越來越傾向于網(wǎng)絡化，