《計算機(jī)組成原理》教程第1章概述

《計算機(jī)組成原理》教程第1章概述計算機(jī)系統(tǒng)簡介數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算方法存儲系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)與尋址方式中央處理器結(jié)構(gòu)與功能總線系統(tǒng)與輸入輸出設(shè)備contents目錄01計算機(jī)系統(tǒng)簡介第一代計算機(jī)第二代計算機(jī)第三代計算機(jī)第四代計算機(jī)計算機(jī)發(fā)展歷程電子管計算機(jī)，體積龐大、運(yùn)算速度低、成本高且可靠性差。集成電路計算機(jī)，進(jìn)一步提高了運(yùn)算速度和可靠性，并開始應(yīng)用于各個領(lǐng)域。晶體管計算機(jī)，體積減小、運(yùn)算速度提高、成本降低且可靠性增強(qiáng)。超大規(guī)模集成電路計算機(jī)，體積進(jìn)一步減小、運(yùn)算速度飛速提升，功能更加強(qiáng)大且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出設(shè)備等，是計算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，是計算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，負(fù)責(zé)管理和控制硬件系統(tǒng)的工作。軟件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)組成指計算機(jī)運(yùn)算器一次能處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，字長越長，計算機(jī)的運(yùn)算精度越高、處理能力越強(qiáng)。字長運(yùn)算速度存儲容量外部設(shè)備配置及擴(kuò)展能力指計算機(jī)每秒鐘能執(zhí)行的指令數(shù)，單位是MIPS（百萬條指令/秒）或GFLOPS（十億次浮點運(yùn)算/秒）等。指計算機(jī)存儲器能存儲的二進(jìn)制信息的總量，單位是字節(jié)（Byte）。指計算機(jī)與外部設(shè)備的連接性能和擴(kuò)展槽數(shù)量等，決定了計算機(jī)的擴(kuò)展性和可升級性。計算機(jī)性能指標(biāo)02數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算方法計算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)，因為二進(jìn)制數(shù)的表示方式非常適合計算機(jī)內(nèi)部的電路和邏輯運(yùn)算。二進(jìn)制人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槭煜さ臄?shù)制，每一位上的數(shù)碼都是0~9之間的數(shù)字。十進(jìn)制在計算機(jī)領(lǐng)域也常用到十六進(jìn)制，它可以用來更緊湊地表示二進(jìn)制數(shù)，每4位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)1位十六進(jìn)制數(shù)。十六進(jìn)制將字符、數(shù)字等信息轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別的二進(jìn)制代碼的過程，如ASCII碼、Unicode等。編碼數(shù)制與編碼小數(shù)點固定在最低有效位的后面，用于表示整數(shù)。小數(shù)點固定在最高有效位的前面，用于表示小數(shù)。這種表示方法會受到字長的限制，導(dǎo)致數(shù)值范圍和精度有限。定點數(shù)表示法定點小數(shù)定點整數(shù)浮點數(shù)表示法浮點數(shù)是一種可以表示很大或很小的數(shù)的表示方法，它由尾數(shù)、基數(shù)和指數(shù)三部分組成。IEEE754標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了浮點數(shù)的存儲格式，包括符號位、指數(shù)位和尾數(shù)位的位數(shù)以及它們的排列方式。規(guī)格化浮點數(shù)為了使浮點數(shù)的表示唯一且精度最高，需要對浮點數(shù)進(jìn)行規(guī)格化處理，即使尾數(shù)的最高位始終為1（對于二進(jìn)制浮點數(shù)）。浮點數(shù)的概念基本運(yùn)算方法01包括加法、減法、乘法、除法等基本算術(shù)運(yùn)算，以及邏輯運(yùn)算和移位運(yùn)算等。運(yùn)算器的組成02運(yùn)算器是實現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，它由算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器、寄存器等部件組成。運(yùn)算器的功能03根據(jù)指令的要求，從存儲器或寄存器中取出操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果存回存儲器或寄存器中。同時，運(yùn)算器還可以執(zhí)行一些與運(yùn)算相關(guān)的操作，如溢出檢測和處理等。運(yùn)算方法與運(yùn)算器03存儲系統(tǒng)概述存儲器分類及性能指標(biāo)存儲器分類按存儲介質(zhì)可分為半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光存儲器等；按存儲方式可分為隨機(jī)存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。性能指標(biāo)存儲容量、存取速度、可靠性、功耗等是評價存儲器性能的重要指標(biāo)。主存儲器結(jié)構(gòu)主存儲器通常由存儲體、地址譯碼器、讀寫控制電路和數(shù)據(jù)輸入輸出電路等部分組成。工作原理主存儲器的工作過程是通過地址譯碼器找到指定存儲單元，然后通過讀寫控制電路控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。主存儲器結(jié)構(gòu)與工作原理硬盤、軟盤、光盤、U盤等是常見的輔助存儲器。輔助存儲器種類輔助存儲器具有存儲容量大、價格低、可長期保存數(shù)據(jù)等特點，但存取速度較慢。特點輔助存儲器簡介存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)通常由高速緩沖存儲器（Cache）、主存儲器和輔助存儲器三個層次組成。層次間關(guān)系Cache位于CPU和主存儲器之間，用于提高CPU訪問主存儲器的速度；主存儲器用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)；輔助存儲器用于長期保存大量數(shù)據(jù)。存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)04指令系統(tǒng)與尋址方式指令格式指令通常由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明操作的性質(zhì)，操作數(shù)表示操作的對象。根據(jù)指令長度的不同，可分為定長指令和變長指令。指令分類按照指令的功能，可以將其分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)邏輯指令、控制轉(zhuǎn)移指令、輸入輸出指令等。不同類型的指令在指令系統(tǒng)中起著不同的作用。指令格式及分類VS尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法。常見的尋址方式有立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等。尋址方式特點不同的尋址方式具有不同的特點，如立即尋址方式操作數(shù)緊跟在操作碼后面，直接尋址方式操作數(shù)的有效地址直接給出，間接尋址方式操作數(shù)的有效地址通過存儲器間接給出等。尋址方式尋址方式及特點Intelx86指令系統(tǒng)x86指令系統(tǒng)是Intel公司為其x86系列微處理器設(shè)計的指令系統(tǒng)，具有豐富的指令集和靈活的尋址方式，廣泛應(yīng)用于PC機(jī)和服務(wù)器領(lǐng)域。ARM指令系統(tǒng)ARM指令系統(tǒng)是ARM公司為其ARM處理器設(shè)計的精簡指令集，具有功耗低、成本低、性能高等特點，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備領(lǐng)域。MIPS指令系統(tǒng)MIPS指令系統(tǒng)是MIPS公司為其MIPS處理器設(shè)計的精簡指令集，采用RISC架構(gòu)，具有指令簡單、執(zhí)行效率高、易于擴(kuò)展等特點，廣泛應(yīng)用于高性能計算領(lǐng)域。典型指令系統(tǒng)介紹05中央處理器結(jié)構(gòu)與功能負(fù)責(zé)解釋指令、生成控制信號，并協(xié)調(diào)各部件工作?？刂破鲌?zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，包括加法器、乘法器等。運(yùn)算器提供高速暫存數(shù)據(jù)的場所，包括通用寄存器、專用寄存器等。寄存器組連接CPU內(nèi)部各部件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。內(nèi)部總線CPU組成部件及功能取指對指令進(jìn)行解析，確定操作碼和操作數(shù)地址。譯碼執(zhí)行寫回01020403將執(zhí)行結(jié)果寫回到存儲器或寄存器中。從存儲器中讀取指令，并放入指令寄存器。根據(jù)操作碼調(diào)用相應(yīng)部件執(zhí)行操作。指令執(zhí)行過程CPU性能指標(biāo)及發(fā)展趨勢主頻、字長、緩存大小、指令集、功耗等。性能指標(biāo)更高的主頻、更多的核心數(shù)、更大的緩存、更低的功耗、更豐富的指令集優(yōu)化等。同時，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，CPU也在向異構(gòu)計算、智能化等方向發(fā)展。發(fā)展趨勢06總線系統(tǒng)與輸入輸出設(shè)備總線是連接計算機(jī)內(nèi)部各個部件之間的一組傳輸線，用于在各個部件之間傳輸數(shù)據(jù)和控制信號。根據(jù)總線所處的位置和作用，可以將其分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線連接CPU和內(nèi)部存儲器，系統(tǒng)總線連接計算機(jī)內(nèi)部各大部件，外部總線則用于連接計算機(jī)和外部設(shè)備。總線系統(tǒng)概念總線分類總線系統(tǒng)概念及分類總線仲裁當(dāng)多個部件同時需要使用總線時，需要通過總線仲裁機(jī)制來決定哪個部件優(yōu)先使用總線。常見的總線仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。通信控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸需要遵循一定的通信協(xié)議和控制方式，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和避免沖突。常見的通信控制方式有同步通信和異步通信?？偩€仲裁與通信控制輸入設(shè)備輸入設(shè)備用于將外部信息輸入到計算機(jī)中，常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備輸出設(shè)備用