唐朔飛計算機組成原理課件

計算機組成原理計算機組成原理是計算機科學(xué)領(lǐng)域的核心課程，是理解計算機系統(tǒng)工作原理的關(guān)鍵。它深入探討了計算機系統(tǒng)的硬件組成，包括CPU、內(nèi)存、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。計算機硬件結(jié)構(gòu)概述主板主板是計算機硬件的核心，連接所有主要組件，包括CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備和外設(shè)。中央處理器(CPU)CPU是計算機的大腦，負責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。內(nèi)存內(nèi)存是計算機的短期存儲器，用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)。存儲設(shè)備存儲設(shè)備是計算機的長期存儲器，用于存儲操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表示與運算二進制編碼計算機使用二進制系統(tǒng)表示數(shù)據(jù)和指令，并進行運算。數(shù)據(jù)類型不同類型的數(shù)據(jù)，如整數(shù)、浮點數(shù)、字符等，需要使用不同的編碼方案表示。算術(shù)運算計算機可以執(zhí)行加減乘除等算術(shù)運算，以及邏輯運算。存儲器系統(tǒng)11.存儲器概述存儲器是計算機系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。22.存儲器分類根據(jù)訪問速度和成本的不同，存儲器可分為主存儲器（內(nèi)存）、輔助存儲器（外存）和高速緩存（Cache）。33.存儲器性能指標存儲器的性能指標主要包括存儲容量、訪問速度、價格和功耗等。44.存儲器管理存儲器管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，負責(zé)分配和管理存儲空間，以及解決內(nèi)存碎片問題。中央處理器中央處理器(CPU)是計算機系統(tǒng)的核心。它執(zhí)行程序指令，控制其他硬件組件，并完成數(shù)據(jù)處理操作。CPU擁有計算、控制和存儲三大功能。它主要由運算器、控制器和寄存器組成，負責(zé)執(zhí)行指令、管理數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)的運行。CPU的性能是衡量計算機性能的關(guān)鍵指標之一。它通常用主頻、緩存大小、指令集和核心數(shù)量等參數(shù)來評估。指令系統(tǒng)指令格式指令格式定義了指令的操作碼、操作數(shù)以及其他控制字段。操作碼指定指令的操作類型，操作數(shù)表示指令要操作的數(shù)據(jù)。指令格式影響指令的長度和地址范圍，進而影響指令集的效率和復(fù)雜性。指令類型常見的指令類型包括數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)邏輯運算指令、控制轉(zhuǎn)移指令、輸入輸出指令等。不同指令類型執(zhí)行不同的操作，共同構(gòu)成計算機指令系統(tǒng)，實現(xiàn)各種功能。程序運行機理程序運行機理是指計算機如何執(zhí)行程序的過程，涉及指令的獲取、解碼、執(zhí)行和結(jié)果存儲等步驟。1指令獲取從內(nèi)存中讀取指令2指令解碼將指令轉(zhuǎn)換為CPU可執(zhí)行的格式3指令執(zhí)行根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作4結(jié)果存儲將執(zhí)行結(jié)果寫入內(nèi)存或寄存器程序運行過程中，CPU會不斷重復(fù)這些步驟，直到程序執(zhí)行完畢?？偩€系統(tǒng)總線概念總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間傳輸信息的公共通道，它像高速公路一樣，允許數(shù)據(jù)在各個組件之間自由流動?？偩€分類根據(jù)傳輸信息的類型，總線可以分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線?？偩€特性總線帶寬、總線速度、總線結(jié)構(gòu)和總線仲裁都是關(guān)鍵因素，影響著計算機系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)傳輸效率?？偩€類型總線類型包括系統(tǒng)總線、內(nèi)部總線和外部總線，它們在系統(tǒng)中扮演著不同的角色。輸入/輸出系統(tǒng)11.外部設(shè)備包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、掃描儀等，為用戶提供與計算機交互的接口。22.I/O接口連接計算機和外部設(shè)備，負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和控制信號。33.I/O控制器負責(zé)管理和控制I/O設(shè)備，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和處理。44.I/O軟件為用戶提供方便的I/O操作方式，管理I/O設(shè)備和數(shù)據(jù)流。存儲層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)中的存儲器通常由多個層次組成，以提高存儲性能和容量。1速度靠近CPU的存儲器速度更快，但容量更小。2成本速度越快的存儲器成本越高。3容量遠離CPU的存儲器容量更大，但速度較慢。4訪問CPU通常優(yōu)先訪問速度較快的存儲器，例如緩存。主存儲器主存儲器的定義主存儲器是計算機系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，主要用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器的特點主存儲器具有速度快、容量小、成本高的特點，是計算機系統(tǒng)中速度最快的存儲器，直接與CPU交換數(shù)據(jù)。主存儲器的分類主存儲器主要分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩種類型。主存儲器的功能主存儲器負責(zé)存儲當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，并與CPU進行高速的數(shù)據(jù)交換，是計算機系統(tǒng)的核心部件之一。輔助存儲器硬盤硬盤是一種主要的輔助存儲設(shè)備，用于存儲操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件。它由磁性盤片組成，數(shù)據(jù)以磁性形式存儲在盤片表面。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤使用閃存芯片存儲數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)硬盤速度更快、更耐用。它們通常用作操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的存儲介質(zhì)。光盤光盤，如CD和DVD，使用激光技術(shù)讀寫數(shù)據(jù)。它們通常用于存儲音樂、電影和軟件。磁帶磁帶是一種傳統(tǒng)的輔助存儲設(shè)備，用于備份數(shù)據(jù)和存檔。它以順序方式存儲數(shù)據(jù)，訪問速度較慢。存儲器的工作原理1地址譯碼將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，確定數(shù)據(jù)存儲的具體位置。2讀寫操作根據(jù)地址信息，讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)到存儲單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和訪問。3刷新操作動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)需要定期刷新，以保持數(shù)據(jù)完整性，確保數(shù)據(jù)不會丟失。存儲器系統(tǒng)設(shè)計存儲器容量存儲器容量影響計算機處理數(shù)據(jù)的能力。存儲器容量過小，會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。存儲器速度存儲器速度決定計算機數(shù)據(jù)訪問的效率。高速存儲器可以提高系統(tǒng)性能，但成本更高。處理器基本結(jié)構(gòu)中央處理器(CPU)是計算機系統(tǒng)的核心，負責(zé)執(zhí)行指令并控制數(shù)據(jù)處理。CPU的基本結(jié)構(gòu)包括運算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線。運算器負責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，控制器負責(zé)控制指令的執(zhí)行流程，寄存器組用來存儲數(shù)據(jù)和指令，內(nèi)部總線負責(zé)數(shù)據(jù)和指令在各部件之間的傳輸。指令流水線1取指從內(nèi)存中讀取指令2譯碼將指令解析為機器可執(zhí)行的格式3執(zhí)行執(zhí)行指令操作4訪存從內(nèi)存中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)5寫回將執(zhí)行結(jié)果寫入寄存器流水線技術(shù)是一種將指令執(zhí)行分解為多個階段，并通過重疊執(zhí)行來提高指令執(zhí)行效率的方法。中央處理器的性能評價指標描述時鐘頻率每秒執(zhí)行的指令數(shù)量指令周期執(zhí)行一條指令所需的時間CPI執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)MIPS每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)MFLOPS每秒執(zhí)行的百萬次浮點運算微程序控制方式微程序控制將控制信號序列存儲在內(nèi)存中，由專門的微程序控制器讀取和執(zhí)行，實現(xiàn)指令的執(zhí)行。指令解碼微程序控制器根據(jù)當前指令的opcode來查找對應(yīng)的微指令序列，執(zhí)行一系列微操作來完成指令的功能?？蓴U展性通過修改微程序，可以輕松地實現(xiàn)新的指令集或功能，提升計算機系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。計算機系統(tǒng)性能分析計算機系統(tǒng)性能分析是衡量計算機系統(tǒng)性能的重要手段，它可以幫助我們了解系統(tǒng)的瓶頸，并進行優(yōu)化。常見的性能指標包括吞吐量、響應(yīng)時間、CPU利用率、內(nèi)存使用率等。通過對這些指標進行分析，我們可以識別系統(tǒng)的瓶頸，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。輸入/輸出系統(tǒng)概述輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)與外部世界交互的關(guān)鍵橋梁。它負責(zé)接收來自外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，并向外部設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。I/O系統(tǒng)通常由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括I/O接口、控制器和I/O設(shè)備，軟件部分則包括I/O驅(qū)動程序和I/O管理軟件。輸入/輸出接口接口功能連接計算機內(nèi)部與外部設(shè)備的橋梁。負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖、控制和信號處理。接口類型并行接口：一次傳輸多位數(shù)據(jù)，傳輸速度快。串行接口：一次傳輸一位數(shù)據(jù)，傳輸距離遠。通用串行總線（USB）：靈活，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備。輸入輸出設(shè)備鍵盤鍵盤是計算機系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備之一，用于輸入字符、數(shù)字和控制命令。鼠標鼠標是一種指向設(shè)備，用于在計算機屏幕上移動光標和選擇對象。掃描儀掃描儀是一種將紙質(zhì)文檔、照片或其他實物圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的設(shè)備。打印機打印機是將計算機中的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙質(zhì)文檔或圖像的輸出設(shè)備。中斷處理機制中斷請求當一個事件發(fā)生時，硬件設(shè)備會向CPU發(fā)送中斷請求。中斷處理CPU接收中斷請求，暫停當前執(zhí)行的程序，并轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。中斷返回中斷處理程序執(zhí)行完畢后，CPU返回到被打斷的程序，繼續(xù)執(zhí)行。直接存儲器訪問(DMA)DMA概述DMA是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，允許外設(shè)直接訪問主內(nèi)存，無需CPU干預(yù)。它可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，并釋放CPU處理其他任務(wù)的能力。DMA工作原理外設(shè)向DMA控制器發(fā)出請求，提供源地址、目標地址和數(shù)據(jù)量。DMA控制器控制數(shù)據(jù)傳輸，直接將數(shù)據(jù)從源地址傳輸?shù)侥繕说刂罚瑹o需CPU干預(yù)。DMA傳輸完成后，DMA控制器向CPU發(fā)送中斷信號，通知傳輸完成。DMA的優(yōu)勢提高數(shù)據(jù)傳輸速度。減少CPU負荷，提高系統(tǒng)效率。支持大容量數(shù)據(jù)傳輸，例如硬盤和網(wǎng)絡(luò)接口卡。DMA的應(yīng)用DMA廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中，例如硬盤、網(wǎng)絡(luò)接口卡、圖形卡和音頻卡，用于高速數(shù)據(jù)傳輸。輸入/輸出控制和管理1I/O控制器的作用管理輸入/輸出設(shè)備，控制數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)I/O設(shè)備與CPU之間的通信。2I/O方式程序控制、中斷驅(qū)動、DMA方式，每種方式各有優(yōu)缺點，需根據(jù)實際情況選擇。3通道通道是獨立的I/O處理器，可直接管理多個I/O設(shè)備，提高I/O效率。4I/O管理操作系統(tǒng)負責(zé)管理I/O設(shè)備，分配資源，處理中斷，確保I/O正常進行。計算機網(wǎng)絡(luò)簡介計算機網(wǎng)絡(luò)是將地理位置分散的計算機系統(tǒng)連接起來，通過通信線路相互傳遞信息，共享硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源的系統(tǒng)。計算機網(wǎng)絡(luò)按照覆蓋范圍劃分為局域網(wǎng)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)和廣域網(wǎng)(WAN)，按照拓撲結(jié)構(gòu)可分為總線型、星型、環(huán)型和樹型等。網(wǎng)絡(luò)通信需要遵循一定的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一套規(guī)則，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)資源分配等方面的一系列標準。計算機系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)軟件的核心，管理計算機硬件資源并為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。編程語言編程語言用于編寫應(yīng)用程序，支持各種編程范式，滿足不同需求。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用于管理和維護數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)存儲、查詢、檢索和維護功能。工具軟件工具軟件為系統(tǒng)管理和用戶使用提供支持，包括殺毒軟件、壓縮軟件、系統(tǒng)優(yōu)化工具等。操作系統(tǒng)概述系統(tǒng)資源管理操作系統(tǒng)管理著計算機的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤等。用戶界面提供操作系統(tǒng)提供用戶與計算機交互的界面，可以是圖形界面或命令行界面。程序執(zhí)行管理操作系統(tǒng)負責(zé)加載、運行和管理程序，為用戶提供程序執(zhí)行的環(huán)境。文件系統(tǒng)管理操作系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)，提供文件存儲、訪問和操作的功能。編程語言發(fā)展歷程1機器語言使用二進制代碼2匯編語言用助記符表示指令3高級語言更接近自然語言4面向?qū)ο笳Z言支持面向?qū)ο缶幊逃嬎銠C語言的發(fā)展經(jīng)歷了機器語言、匯編語言和高級語言的演變過程。面向?qū)ο缶幊淌且环N新興的編程范式，它更加接近人類的思維方式，提高了代碼的可重用性和可維護性。算法與程序設(shè)計基礎(chǔ)算法的概念算法是解決特定問題的一系列步驟，例如排序和查找，指導(dǎo)計算機完成任務(wù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)