《計(jì)算機(jī)組成原理ch》課件

計(jì)算機(jī)組成原理歡迎來到計(jì)算機(jī)組成原理的世界，我們將一起探索計(jì)算機(jī)的奧秘。課程介紹學(xué)習(xí)目標(biāo)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的功能和相互關(guān)系，并能夠運(yùn)用相關(guān)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題。課程內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)組成原理的核心概念，包括處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、并行處理技術(shù)等。計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1第五代（20世紀(jì)80年代至今）人工智能和超大規(guī)模集成電路2第四代（1971年至今）大規(guī)模集成電路（LSI）3第三代（1964-1971年）集成電路（IC）4第二代（1959-1964年）晶體管5第一代（1946-1958年）電子管計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的物理組成部分，包括：中央處理器(CPU)、內(nèi)存(RAM)、存儲(chǔ)設(shè)備(硬盤、SSD)、輸入/輸出設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器)以及連接它們的總線。這些組件協(xié)同工作，執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序并處理數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)為軟件提供平臺(tái)，使計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行各種任務(wù)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括各部件的功能、性能和相互連接關(guān)系。決定計(jì)算機(jī)的性能、成本和可擴(kuò)展性，影響著硬件和軟件的設(shè)計(jì)。抽象層次高，關(guān)注計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和功能，不涉及具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。處理器結(jié)構(gòu)核心處理器的核心是其執(zhí)行指令的核心部件，它包含了算術(shù)邏輯單元(ALU)、控制單元(CU)和寄存器等。緩存緩存是一種高速存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)最近使用的指令和數(shù)據(jù)，以提高處理器訪問數(shù)據(jù)的速度?？偩€總線是處理器與其他組件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，例如?nèi)存、外設(shè)和輸入輸出接口。指令系統(tǒng)指令集指令集是一組計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的指令，它定義了計(jì)算機(jī)的功能和操作。指令格式指令格式描述了指令中各字段的排列方式和含義，例如操作碼、操作數(shù)地址等。尋址方式尋址方式是指CPU如何找到操作數(shù)地址，常用的尋址方式包括立即尋址、直接尋址、寄存器尋址等。尋址方式1立即尋址指令中直接給出操作數(shù)的值。2直接尋址指令中給出操作數(shù)的地址。3間接尋址指令中給出操作數(shù)地址的地址。4寄存器尋址指令中給出操作數(shù)所在的寄存器。指令流水線1指令獲取從內(nèi)存中讀取下一條指令。2指令譯碼將指令解碼為CPU可執(zhí)行的格式。3操作數(shù)獲取從內(nèi)存或寄存器中獲取操作數(shù)。4執(zhí)行執(zhí)行指令操作，例如算術(shù)運(yùn)算或數(shù)據(jù)傳輸。5結(jié)果寫入將操作結(jié)果寫入寄存器或內(nèi)存。中央處理器性能指標(biāo)描述時(shí)鐘頻率處理器運(yùn)行速度指令周期執(zhí)行一條指令所需時(shí)間吞吐量單位時(shí)間內(nèi)處理的指令數(shù)CPI執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)存儲(chǔ)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，并為CPU提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)和輔助存儲(chǔ)器(外存)。主存儲(chǔ)器速度快、容量小、價(jià)格高，主要用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。外存速度慢、容量大、價(jià)格低，主要用于存放長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)和程序。內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)緩存速度最快、容量最小，存儲(chǔ)訪問速度最快的數(shù)據(jù)和指令。主存容量比緩存大、速度比緩存慢，存儲(chǔ)正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器容量最大、速度最慢，存儲(chǔ)未被使用但需要保存的程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)管理機(jī)制內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配內(nèi)存給進(jìn)程，并管理這些內(nèi)存空間。內(nèi)存分配策略包括連續(xù)分配、分頁分配、分段分配等。內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)要防止進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存，確保每個(gè)進(jìn)程在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行。這可以通過硬件機(jī)制和軟件機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)存共享操作系統(tǒng)可以允許多個(gè)進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存，比如共享庫(kù)或共享數(shù)據(jù)。內(nèi)存共享需要特殊的機(jī)制來確保一致性和同步。輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。輸入輸出系統(tǒng)包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輸入輸出接口和控制電路。輸入輸出系統(tǒng)的工作原理是通過輸入輸出接口將外部設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并由控制電路協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?？偩€系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接各個(gè)部件的電子通路，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。類型總線可分為內(nèi)部總線（連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備）和外部總線（連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外部設(shè)備）。特點(diǎn)總線的特點(diǎn)包括帶寬、傳輸速度、數(shù)據(jù)傳輸方式等，影響著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性能。外圍設(shè)備鍵盤是計(jì)算機(jī)的主要輸入設(shè)備，用于輸入字符、數(shù)字和其他命令。顯示器是計(jì)算機(jī)的主要輸出設(shè)備，用于顯示圖像和文字。打印機(jī)是計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備，用于將電子文檔打印到紙張上。掃描儀是計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，用于將紙質(zhì)文檔或圖片掃描到計(jì)算機(jī)中。中斷機(jī)制1中斷概念由硬件或軟件事件觸發(fā)2中斷處理保存當(dāng)前狀態(tài),執(zhí)行中斷服務(wù)程序3中斷類型硬件中斷,軟件中斷,例外直接存儲(chǔ)器訪問DMA直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，它允許外設(shè)直接訪問主內(nèi)存，繞過CPU。優(yōu)勢(shì)DMA提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，使CPU可以專注于其他任務(wù)。輸入輸出接口橋接連接CPU和外設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。緩沖臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，解決速度差異問題。控制管理外設(shè)，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸。主存訪問控制1地址映射CPU生成的邏輯地址被轉(zhuǎn)換為物理地址，以訪問主存。2訪問權(quán)限控制保護(hù)操作系統(tǒng)和用戶程序的內(nèi)存空間，防止非法訪問。3內(nèi)存分配動(dòng)態(tài)分配和回收內(nèi)存資源，滿足程序執(zhí)行需求。緩存技術(shù)1提高系統(tǒng)性能緩存技術(shù)通過存儲(chǔ)最常訪問的數(shù)據(jù)來減少主存訪問時(shí)間，從而顯著提升系統(tǒng)性能。2減少主存壓力緩存的存在可以減輕主存的負(fù)擔(dān)，提高內(nèi)存利用率，并改善整體系統(tǒng)響應(yīng)速度。3緩存替換策略不同的緩存替換策略（例如，LRU、FIFO）決定了緩存中哪些數(shù)據(jù)被替換，影響著緩存的性能。虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器是一種利用硬盤空間來擴(kuò)展主存容量的技術(shù)。虛擬存儲(chǔ)器允許程序員使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，從而可以運(yùn)行更大的程序，并提高系統(tǒng)效率。虛擬存儲(chǔ)器利用頁面或段作為基本單位，將程序和數(shù)據(jù)存放在磁盤上，并將常用的部分加載到主存中。當(dāng)程序需要訪問不在主存中的數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將該數(shù)據(jù)從磁盤加載到主存，并將不再使用的頁面或段換出到磁盤。頁式虛擬存儲(chǔ)分頁機(jī)制將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁幀，并將物理地址空間劃分為同樣大小的頁框。頁表頁表用于記錄頁幀到頁框的映射關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。頁面置換算法當(dāng)頁面不在內(nèi)存中時(shí)，需要從磁盤加載，而內(nèi)存空間有限，就需要使用頁面置換算法來選擇要替換的頁面。段式虛擬存儲(chǔ)邏輯地址空間將程序地址空間劃分為若干個(gè)大小不等的段，每個(gè)段可以是代碼段、數(shù)據(jù)段或堆棧段。段表每個(gè)段在內(nèi)存中都有一個(gè)唯一的段號(hào)，段表用于存儲(chǔ)段號(hào)和段基址，以及段的訪問權(quán)限。段頁式將段進(jìn)一步劃分為頁，并用頁表管理頁在內(nèi)存中的位置，以提高內(nèi)存利用率。頁式段式虛擬存儲(chǔ)頁式虛擬存儲(chǔ)以頁面為單位進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的映射。段式虛擬存儲(chǔ)以段為單位進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，每個(gè)段是一個(gè)邏輯上完整的單元。頁式段式虛擬存儲(chǔ)將頁式和段式結(jié)合，同時(shí)進(jìn)行頁面和段的地址轉(zhuǎn)換，提供更靈活的內(nèi)存管理方式。并行處理技術(shù)1指令級(jí)并行2數(shù)據(jù)級(jí)并行3線程級(jí)并行指令級(jí)并行流水線技術(shù)將指令執(zhí)行過程分解為多個(gè)階段，使多個(gè)指令在流水線中重疊執(zhí)行，提高指令執(zhí)行效率。超標(biāo)量技術(shù)在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令，利用硬件并行性提高性能。超線程技術(shù)在單個(gè)處理器上模擬多個(gè)邏輯處理器，并行執(zhí)行多個(gè)線程，提高處理器利用率。數(shù)據(jù)級(jí)并行指令級(jí)并行單個(gè)指令中對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，例如SIMD指令集。數(shù)據(jù)流并行多個(gè)數(shù)據(jù)并行處理，例如流水線技術(shù)。多線程并行多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，例如多核處理器。線程級(jí)并行多線程將一個(gè)進(jìn)程劃分成多個(gè)線程，每個(gè)線程可以獨(dú)立執(zhí)行，提高程序執(zhí)行效率。線程同步協(xié)調(diào)多個(gè)線程訪問共享資源，避免數(shù)據(jù)沖突，保證程序正確性。多核處理器通過多個(gè)