計(jì)算機(jī)組成原理(李小勇)zcyl課件

計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一。它深入講解了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程簡介課程目標(biāo)深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組成原理。培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析能力、設(shè)計(jì)能力以及解決實(shí)際問題的技能。課程內(nèi)容本課程涵蓋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)層次的知識(shí)，包括數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)、運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)等。重點(diǎn)講解計(jì)算機(jī)硬件的組成、工作原理和設(shè)計(jì)方法。計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)硬件層包括各種物理設(shè)備，如CPU、內(nèi)存、硬盤等。軟件層包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，對硬件進(jìn)行管理和控制。用戶層用戶直接接觸的部分，用于完成特定任務(wù)。數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算二進(jìn)制編碼計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制編碼表示數(shù)據(jù)，每個(gè)位只有0或1兩種狀態(tài)。十進(jìn)制十進(jìn)制是我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠?jì)數(shù)系統(tǒng)，使用0到9十個(gè)數(shù)字表示。算術(shù)運(yùn)算計(jì)算機(jī)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，包括加法、減法、乘法和除法，在內(nèi)部使用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算。邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算處理真假值，使用邏輯門，如與門、或門和非門。運(yùn)算器的組成與工作原理1算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)ALU是運(yùn)算器的核心，執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，如加減乘除、比較大小、邏輯運(yùn)算等。它接收來自寄存器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果輸出到寄存器。2寄存器組寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，是CPU內(nèi)部高速存儲(chǔ)單元，訪問速度快。常用的寄存器包括累加器(AC)、數(shù)據(jù)寄存器(DR)、地址寄存器(AR)和指令寄存器(IR)等。3數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路是ALU、寄存器組和外部存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)的信息通道。它由一系列的連接線和控制邏輯組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在運(yùn)算器內(nèi)部的流動(dòng)?？刂破鞯慕M成與工作原理1指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)2指令計(jì)數(shù)器指向下一條指令地址3時(shí)序控制控制CPU各個(gè)部件的時(shí)序4操作控制根據(jù)指令，控制CPU各部件的操作控制器是CPU的核心，負(fù)責(zé)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。它接收指令，并將其譯碼成控制信號(hào)，控制CPU其他部件執(zhí)行操作?？刂破魍ǔＳ芍噶钭g碼器、指令計(jì)數(shù)器、時(shí)序控制器和操作控制器組成。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)通常由多個(gè)層次結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)層次都具有不同的容量、速度和成本。CPU通常使用高速緩存存儲(chǔ)器來訪問數(shù)據(jù)，而主存儲(chǔ)器則用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器用于長期保存數(shù)據(jù)，例如硬盤或固態(tài)硬盤。主存儲(chǔ)器的基本特性隨機(jī)訪問主存儲(chǔ)器中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有唯一的地址，CPU可以隨機(jī)訪問任意地址的存儲(chǔ)單元。易失性主存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在斷電后會(huì)丟失。速度快主存儲(chǔ)器是CPU直接訪問的存儲(chǔ)器，速度要比輔助存儲(chǔ)器快很多。容量有限主存儲(chǔ)器的容量相對較小，價(jià)格比較昂貴。ROM和RAM的特點(diǎn)1ROM只讀存儲(chǔ)器，信息只能讀不能寫。通常用于存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序。2RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，信息可讀寫，可用于存放操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。3ROM和RAM的區(qū)別RAM是易失性的，斷電信息丟失，ROM是永久性的，斷電信息不會(huì)丟失。高速緩存存儲(chǔ)器高速緩存存儲(chǔ)器(Cache)是位于CPU和主存儲(chǔ)器之間的一級(jí)存儲(chǔ)器。它比主存儲(chǔ)器速度快，容量小，價(jià)格貴，用于保存主存儲(chǔ)器中經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時(shí)，先查找高速緩存，如果命中，則直接讀取數(shù)據(jù)，否則訪問主存儲(chǔ)器，并將訪問的數(shù)據(jù)存入高速緩存，以便下次訪問更快。高速緩存存儲(chǔ)器采用局部性原理，即程序訪問的指令和數(shù)據(jù)往往在內(nèi)存中鄰近的位置，因此，高速緩存可以有效提高系統(tǒng)性能。輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部世界交互的橋梁。它負(fù)責(zé)接收來自外部世界的各種信息，并把處理后的信息輸出到外部。I/O接口的作用和分類11.連接橋梁I/O接口是CPU與外部設(shè)備之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。22.信號(hào)轉(zhuǎn)換接口負(fù)責(zé)將CPU的信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備能夠理解的信號(hào)。33.協(xié)議協(xié)調(diào)I/O接口負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU和外部設(shè)備之間的通信協(xié)議。44.類型劃分I/O接口根據(jù)功能和用途，可分為并行接口、串行接口、通用接口等。I/O傳輸方式1程序控制CPU直接控制數(shù)據(jù)傳輸2中斷I/O設(shè)備發(fā)出中斷信號(hào)，CPU響應(yīng)并處理3DMA直接內(nèi)存訪問，無需CPU參與三種方式的效率和復(fù)雜度不同。程序控制方式最簡單，但效率最低。中斷方式可以提高效率，但仍需要CPU參與。DMA方式效率最高，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。選擇合適的傳輸方式取決于系統(tǒng)的性能需求和成本約束。CPU的總線結(jié)構(gòu)CPU的總線結(jié)構(gòu)是指CPU與其他部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)。它負(fù)責(zé)在CPU、內(nèi)存和外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)?？偩€可以分為三類：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，地址總線用于指定內(nèi)存地址，控制總線用于控制數(shù)據(jù)傳輸方向和操作類型。指令系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件所能執(zhí)行的指令集合，它是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分。指令集架構(gòu)指令集架構(gòu)(ISA)定義了指令格式、尋址方式和數(shù)據(jù)類型，決定了計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的操作。指令的分類指令可以根據(jù)操作類型、數(shù)據(jù)類型和尋址方式進(jìn)行分類，如數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令等。指令的執(zhí)行過程取指令CPU從主存儲(chǔ)器中取出指令，放到指令寄存器。指令譯碼CPU對指令進(jìn)行分析，確定操作碼和操作數(shù)。取操作數(shù)CPU根據(jù)指令中操作數(shù)的地址，從主存儲(chǔ)器中取出操作數(shù)。執(zhí)行指令CPU根據(jù)指令的操作碼，執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算或數(shù)據(jù)傳送操作。寫回結(jié)果CPU將運(yùn)算結(jié)果寫入到指定的存儲(chǔ)單元。尋址方式的分類立即尋址指令中直接包含操作數(shù)，無需再訪問內(nèi)存。速度最快，但靈活性較差。直接尋址指令中給出操作數(shù)的地址，直接從內(nèi)存讀取操作數(shù)。速度快，但需要預(yù)先知道操作數(shù)地址。寄存器尋址操作數(shù)保存在寄存器中，指令中給出寄存器號(hào)，直接從寄存器讀取操作數(shù)。速度最快，但寄存器數(shù)量有限。間接尋址指令中給出的是操作數(shù)地址的地址，需要先訪問內(nèi)存獲取操作數(shù)地址，再根據(jù)地址讀取操作數(shù)。速度較慢，但靈活度高。匯編語言編程概述低級(jí)語言匯編語言是一種低級(jí)編程語言，它與機(jī)器語言非常接近，使用助記符來表示機(jī)器指令。直接操控硬件匯編語言可以對硬件進(jìn)行直接的操作，如訪問內(nèi)存、控制外設(shè)等。程序員效率匯編語言的編程效率較低，編寫和調(diào)試較為困難，但可以提高程序的執(zhí)行效率。操作系統(tǒng)引言操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件之一。它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源，并為用戶提供應(yīng)用程序運(yùn)行的環(huán)境。進(jìn)程管理進(jìn)程概念一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間和資源。進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。進(jìn)程狀態(tài)運(yùn)行態(tài)：正在執(zhí)行指令的進(jìn)程。就緒態(tài)：等待獲取CPU的進(jìn)程。阻塞態(tài)：等待某個(gè)事件發(fā)生的進(jìn)程。進(jìn)程控制塊記錄進(jìn)程信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含進(jìn)程狀態(tài)、進(jìn)程ID、內(nèi)存地址、資源等。存儲(chǔ)管理1內(nèi)存分配存儲(chǔ)管理的主要功能是分配和管理內(nèi)存資源。它決定哪些程序和數(shù)據(jù)可以放在內(nèi)存中，以及它們在內(nèi)存中的位置。2地址映射存儲(chǔ)管理負(fù)責(zé)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以便CPU能夠訪問到實(shí)際的內(nèi)存位置。3內(nèi)存保護(hù)存儲(chǔ)管理通過保護(hù)機(jī)制來防止程序之間互相干擾，并確保程序訪問自己分配的內(nèi)存區(qū)域。4內(nèi)存共享存儲(chǔ)管理可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)程序共享內(nèi)存資源，提高內(nèi)存利用率。文件管理文件組織將文件按照一定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，方便管理和查找。文件訪問控制控制用戶對文件的訪問權(quán)限，保障數(shù)據(jù)安全。文件共享允許多個(gè)用戶或程序訪問同一個(gè)文件。文件備份和恢復(fù)定期備份文件，防止數(shù)據(jù)丟失，并提供恢復(fù)機(jī)制。操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程1加電自檢（POST）系統(tǒng)加電后，BIOS會(huì)進(jìn)行硬件自檢，確保硬件正常工作。2加載引導(dǎo)程序BIOS會(huì)從硬盤的引導(dǎo)扇區(qū)加載引導(dǎo)程序，并將其傳遞給操作系統(tǒng)。3啟動(dòng)操作系統(tǒng)內(nèi)核引導(dǎo)程序?qū)⒖刂茩?quán)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核開始初始化系統(tǒng)，并加載必要的驅(qū)動(dòng)程序。4啟動(dòng)用戶界面操作系統(tǒng)內(nèi)核完成初始化后，會(huì)加載用戶界面，讓用戶可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。主要指標(biāo)包括CPU性能、存儲(chǔ)器性能、I/O性能等。CPU性能指標(biāo)指標(biāo)說明主頻CPU時(shí)鐘頻率，單位為赫茲(Hz)指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間CPI(每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù))執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)MIPS(每秒百萬條指令)CPU每秒鐘執(zhí)行的百萬條指令數(shù)MFLOPS(每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算)CPU每秒鐘執(zhí)行的百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理的任務(wù)數(shù)量，反映了系統(tǒng)的處理能力。響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)從用戶發(fā)出請求到系統(tǒng)完成響應(yīng)所需要的時(shí)間，反映了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。這兩個(gè)指標(biāo)是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，它們之間存在一定的聯(lián)系，但也有區(qū)別。系統(tǒng)吞吐量越高，說明系統(tǒng)處理能力越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短，說明系統(tǒng)的反應(yīng)速度越快。在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景來選擇合適的指標(biāo)。例如，對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間是更重要的指標(biāo)，而對于批處理系統(tǒng)，吞吐量則更為重要。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行性并行處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。提高系統(tǒng)效率，縮短任務(wù)完成時(shí)間。并行處理類型指令級(jí)并行數(shù)據(jù)級(jí)并行任務(wù)級(jí)并行性能提升的方法優(yōu)化算法改進(jìn)算法邏輯，減少計(jì)算量，降低時(shí)間復(fù)雜度，提高效率。硬件升級(jí)更換更快的CPU、內(nèi)