計算機組成原理白中英主編課件ch

計算機組成原理本課程將深入探討計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理，幫助你理解計算機是如何運行的。從最底層的硬件到軟件之間的交互，我們將逐步揭示計算機世界的奧秘。計算機系統(tǒng)概述1硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的物理實體,包括中央處理器,存儲器,輸入輸出設備等.2軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的邏輯部分,包括系統(tǒng)軟件和應用軟件,用于控制硬件系統(tǒng)的運行.3數(shù)據(jù)處理過程計算機系統(tǒng)接受數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù),輸出結(jié)果,并進行控制管理.計算機系統(tǒng)的硬件組成中央處理器(CPU)負責執(zhí)行程序指令，是計算機的核心部件。主存儲器(RAM)用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)，速度快，但容量有限。輸入/輸出設備(I/O)負責與外部世界進行信息交換，包括鍵盤、鼠標、顯示器等。輔助存儲器(外存)用于長期保存數(shù)據(jù)和程序，速度慢，但容量大，例如硬盤、U盤。計算機系統(tǒng)的軟件組成系統(tǒng)軟件管理和控制計算機硬件，為應用軟件提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)編譯器網(wǎng)絡協(xié)議應用軟件執(zhí)行特定任務，滿足用戶需求。辦公軟件游戲軟件圖形設計軟件網(wǎng)絡瀏覽器數(shù)據(jù)表示和運算數(shù)據(jù)表示計算機使用二進制數(shù)表示數(shù)據(jù)，包括整數(shù)、浮點數(shù)、字符等。算術運算計算機執(zhí)行加減乘除等基本運算，并提供多種算術邏輯運算。邏輯運算計算機支持與、或、非等邏輯運算，用于判斷條件、控制程序流程等。進制轉(zhuǎn)換及其運算1十進制轉(zhuǎn)換為二進制將十進制數(shù)除以2，取余數(shù)，直到商為0，然后將余數(shù)逆序排列。2二進制轉(zhuǎn)換為十進制將二進制數(shù)的每一位乘以相應的權(quán)值，然后將所有結(jié)果相加。3十進制轉(zhuǎn)換為十六進制將十進制數(shù)除以16，取余數(shù)，直到商為0，然后將余數(shù)逆序排列，并用A-F表示10-15。4十六進制轉(zhuǎn)換為十進制將十六進制數(shù)的每一位乘以相應的權(quán)值，然后將所有結(jié)果相加。計算機中的編碼ASCII編碼ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是美國信息交換標準代碼。它是最常用的字符編碼標準，用于表示英文和其他西歐語言的字符。Unicode編碼Unicode是一種字符編碼標準，旨在統(tǒng)一世界上所有語言的字符編碼。它包含了來自世界各地不同語言的字符，包括中文、日文、韓文等。二進制編碼計算機使用二進制編碼來表示數(shù)據(jù)和指令。二進制編碼只使用0和1兩種數(shù)字，方便計算機進行邏輯運算和存儲。運算器的工作原理1算術邏輯運算單元(ALU)執(zhí)行算術和邏輯運算2數(shù)據(jù)寄存器暫存操作數(shù)和運算結(jié)果3狀態(tài)寄存器保存運算結(jié)果的標志位4控制單元控制運算器各部分的工作流程存儲器的工作原理1存儲單元基本存儲單位，存放一個二進制位2存儲字多個存儲單元組成，存放一個數(shù)據(jù)3存儲器多個存儲字組成，存放程序和數(shù)據(jù)存儲器的層次結(jié)構(gòu)緩存（Cache）是最快、最昂貴的存儲器，用于存放經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。主存儲器（MainMemory）是較快的存儲器，用于存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器（SecondaryStorage）是最慢、最便宜的存儲器，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序。存儲技術和存儲器種類閃存閃存是一種非易失性存儲器，使用電荷存儲數(shù)據(jù)。它比傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器更快、更耐用，但成本更高。硬盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器是一種機械存儲器，使用旋轉(zhuǎn)磁盤存儲數(shù)據(jù)。它價格低廉，但速度較慢，容易受到震動和溫度的影響。隨機存取存儲器(RAM)RAM是一種易失性存儲器，用于存儲計算機當前正在使用的程序和數(shù)據(jù)。它速度快，但數(shù)據(jù)在斷電后會丟失。輸入/輸出系統(tǒng)概述鍵盤、鼠標、掃描儀等輸入設備將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的信號。顯示器、打印機、揚聲器等輸出設備將計算機處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為人類可感知的形式。網(wǎng)絡接口允許計算機與其他設備進行數(shù)據(jù)交換，擴展系統(tǒng)功能。輸入/輸出接口定義輸入/輸出接口是連接計算機系統(tǒng)與外部設備的橋梁，負責數(shù)據(jù)傳輸和控制信號的傳遞。功能接口通過信號轉(zhuǎn)換和協(xié)議匹配，實現(xiàn)計算機系統(tǒng)與外部設備之間的數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳遞。分類接口主要分為并行接口和串行接口，以及通用接口和專用接口。輸入設備鍵盤鍵盤是輸入文本、數(shù)字和特殊字符的主要設備。鼠標鼠標用于控制光標，選擇對象和執(zhí)行命令。掃描儀掃描儀用于將紙質(zhì)文檔或照片轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。麥克風麥克風用于將聲音轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。輸出設備顯示器顯示器是將計算機內(nèi)部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可見圖像的設備，是用戶與計算機交互的主要媒介。打印機打印機將計算機中的數(shù)據(jù)以紙質(zhì)形式輸出，用于保存信息或制作文檔副本。音響設備音響設備將計算機中產(chǎn)生的聲音信號轉(zhuǎn)換成可聽的聲音，用于播放音樂、視頻等。投影儀投影儀將計算機中的圖像或視頻放大投影到屏幕上，方便多人觀看。存儲器層次結(jié)構(gòu)速度和成本高速緩存存儲器（Cache）速度快，但成本高；主存儲器（MainMemory）速度較慢，但成本低；輔助存儲器（SecondaryMemory）速度更慢，但成本最低。容量和訪問時間高速緩存存儲器容量小，訪問時間短；主存儲器容量較大，訪問時間較長；輔助存儲器容量最大，訪問時間最長。虛擬存儲器物理內(nèi)存計算機系統(tǒng)中實際存在的內(nèi)存空間，可以被直接訪問。虛擬內(nèi)存由操作系統(tǒng)管理的邏輯內(nèi)存空間，可以大于物理內(nèi)存。頁表映射虛擬地址到物理地址的表格，實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。流水線技術1提高效率流水線可以將指令的執(zhí)行時間縮短2并行處理流水線可以同時處理多條指令3提高性能流水線可以提高系統(tǒng)的吞吐量指令系統(tǒng)指令集指令集是一組指令，用于控制CPU執(zhí)行特定操作。指令格式指令格式定義了指令的組成，包括操作碼、操作數(shù)和地址信息。指令周期指令周期是指CPU執(zhí)行一條指令所需的時間，包括取指令、譯碼、執(zhí)行和寫回等步驟。指令的執(zhí)行過程取指從主存中取出指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為CPU可執(zhí)行的指令格式執(zhí)行根據(jù)譯碼后的指令執(zhí)行操作寫回將執(zhí)行結(jié)果寫入主存或寄存器中央處理器的結(jié)構(gòu)和功能1算術邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術和邏輯運算，例如加減乘除、比較大小等。2控制單元(CU)負責控制整個CPU的工作流程，包括指令的獲取、譯碼、執(zhí)行等。3寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和指令，是CPU內(nèi)部高速緩存器。主存儲器和外存主存儲器主存儲器(RAM)是計算機系統(tǒng)中用于存儲正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)的臨時存儲區(qū)域。外存外存(SecondaryStorage)用于長期存儲數(shù)據(jù)，比如硬盤驅(qū)動器、固態(tài)硬盤、光盤等。區(qū)別主存儲器速度快、容量小、價格貴；外存速度慢、容量大、價格便宜?？偩€系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，包括指令、數(shù)據(jù)和地址地址總線用來指定數(shù)據(jù)在存儲器中的地址控制總線用來控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、時序和操作類型輸入/輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換負責將數(shù)據(jù)從計算機內(nèi)部傳送到外部設備，或從外部設備傳送到計算機內(nèi)部。設備控制管理外部設備的操作，包括啟動、停止、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。中斷處理當外部設備需要計算機處理時，會向計算機發(fā)送中斷信號，并由輸入/輸出系統(tǒng)進行處理。中斷機制中斷是一種硬件機制，用于通知CPU發(fā)生了某個事件。中斷可以暫停當前正在執(zhí)行的程序，并轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應的處理程序。中斷處理完畢后，CPU會返回到中斷前的程序繼續(xù)執(zhí)行。系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)管理計算機硬件和軟件資源，為用戶提供一個友好的使用環(huán)境。程序設計語言提供一種與機器無關的語言，便于程序員編寫程序。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的存儲、查詢和修改，方便數(shù)據(jù)的組織和使用。網(wǎng)絡軟件實現(xiàn)計算機之間的通信，方便信息的共享和傳輸。應用軟件辦公軟件MicrosoftOffice,Office,GoogleDocs,etc.多媒體軟件AdobePhotoshop,PremierePro,FinalCutPro,etc.網(wǎng)絡應用軟件瀏覽器,QQ,微信,淘寶,etc.游戲軟件LeagueofLegends,Dota2,WorldofWarcraft,etc.計算機體系結(jié)構(gòu)定義計算機系統(tǒng)中各個組成部分的結(jié)構(gòu)和功能，以及它們之間相互聯(lián)系和相互作用的方式為軟件開發(fā)提供抽象模型，便于理解和設計應用程序影響計算機系統(tǒng)性能的重要因素，直接影響計算速度、存儲效率和系統(tǒng)可靠性計算機性能評