《計(jì)算機(jī)組成原理》課件

計(jì)算機(jī)組成原理歡迎來(lái)到計(jì)算機(jī)組成原理課程！本課程旨在深入探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造、運(yùn)作方式以及設(shè)計(jì)原理。我們將從最基本的邏輯門電路開(kāi)始，逐步深入到中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)等核心組件的學(xué)習(xí)，最終使大家能夠全面理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，為未來(lái)的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究和工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。課程簡(jiǎn)介：為什么學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理？理解計(jì)算機(jī)本質(zhì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理，能夠幫助我們透過(guò)高級(jí)編程語(yǔ)言和應(yīng)用軟件的表象，深入理解計(jì)算機(jī)硬件的運(yùn)作機(jī)制，掌握計(jì)算機(jī)的本質(zhì)。優(yōu)化程序性能理解計(jì)算機(jī)組成原理，可以讓我們編寫(xiě)出更加高效的程序，充分利用硬件資源，提高程序運(yùn)行速度。解決實(shí)際問(wèn)題學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理，可以讓我們更好地解決實(shí)際問(wèn)題，例如，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，需要深入了解硬件特性，才能編寫(xiě)出穩(wěn)定可靠的程序。課程目標(biāo)與內(nèi)容概述1課程目標(biāo)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念和組成，掌握計(jì)算機(jī)硬件的工作原理，熟悉各種存儲(chǔ)技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，能夠?qū)τ?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析和優(yōu)化。2主要內(nèi)容數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理器（CPU）、總線系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。3學(xué)習(xí)方法理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和案例分析，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述硬件系統(tǒng)包括中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等物理實(shí)體，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，負(fù)責(zé)控制和管理硬件資源，實(shí)現(xiàn)各種功能。數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理的對(duì)象，包括數(shù)字、字符、圖像、音頻、視頻等各種形式的信息。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1應(yīng)用層用戶直接使用的各種應(yīng)用程序，例如文字處理軟件、游戲、瀏覽器等。2操作系統(tǒng)層管理硬件資源，提供用戶接口，支持應(yīng)用程序的運(yùn)行。3指令集體系結(jié)構(gòu)層定義了計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的指令集，是軟件和硬件之間的橋梁。4微體系結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)指令集體系結(jié)構(gòu)的具體方法，例如流水線、超標(biāo)量等。5硬件層由各種電子元件組成的物理實(shí)體，例如CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等。計(jì)算機(jī)硬件的基本組成輸入設(shè)備將外部信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的形式，例如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理后的信息轉(zhuǎn)換為人類可以理解的形式，例如顯示器、打印機(jī)、音箱等。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，包括主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（硬盤、U盤等）。運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，是計(jì)算機(jī)的核心部件之一?？刂破骺刂朴?jì)算機(jī)各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作，是計(jì)算機(jī)的指揮中心。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)采用二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部所有信息都采用二進(jìn)制表示。存儲(chǔ)程序原理將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)按照程序指令的順序執(zhí)行。五大部件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。指令執(zhí)行方式指令由操作碼和地址碼組成，計(jì)算機(jī)通過(guò)操作碼識(shí)別指令類型，通過(guò)地址碼找到操作數(shù)。計(jì)算機(jī)軟件的分類系統(tǒng)軟件用于管理和控制計(jì)算機(jī)硬件資源，例如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、編譯程序等。1應(yīng)用軟件用于解決特定問(wèn)題的程序，例如文字處理軟件、圖像處理軟件、游戲等。2中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，提供通用的服務(wù)和功能，例如消息隊(duì)列、遠(yuǎn)程調(diào)用等。3計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程1取指令從存儲(chǔ)器中取出指令。2譯碼分析指令的操作碼和地址碼。3執(zhí)行根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。4訪存從存儲(chǔ)器中讀取操作數(shù)或?qū)⒔Y(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)器。5修改PC修改程序計(jì)數(shù)器（PC），指向下一條指令。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)CPU主頻CPU主頻CPU的時(shí)鐘頻率，單位為赫茲（Hz），表示CPU每秒鐘的時(shí)鐘周期數(shù)。內(nèi)存容量?jī)?nèi)存容量?jī)?nèi)存的大小，單位為字節(jié)（Byte），表示計(jì)算機(jī)可以同時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。MIPSMIPS每秒百萬(wàn)條指令數(shù)，是衡量計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的指標(biāo)之一。FLOPSFLOPS每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)，是衡量計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算能力的指標(biāo)。數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算數(shù)據(jù)類型計(jì)算機(jī)中可以表示的數(shù)據(jù)類型包括整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符、字符串等。數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以二進(jìn)制形式表示，需要進(jìn)行編碼，例如原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼等。數(shù)據(jù)運(yùn)算計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，例如加、減、乘、除、與、或、非等。數(shù)制與編碼數(shù)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制基數(shù)102816表示符號(hào)0-90,10-70-9,A-F進(jìn)位規(guī)則逢十進(jìn)一逢二進(jìn)一逢八進(jìn)一逢十六進(jìn)一定點(diǎn)數(shù)的表示1原碼用最高位表示符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，其余位表示數(shù)值的絕對(duì)值。2反碼正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是其原碼除符號(hào)位外按位取反。3補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是其反碼加1。4移碼將補(bǔ)碼的符號(hào)位取反得到移碼，主要用于表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼。浮點(diǎn)數(shù)的表示符號(hào)位表示浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)性。1階碼表示浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)部分，通常用移碼表示。2尾數(shù)表示浮點(diǎn)數(shù)的有效數(shù)字部分，通常用原碼或補(bǔ)碼表示。3算術(shù)邏輯單元（ALU）算術(shù)運(yùn)算執(zhí)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算。邏輯運(yùn)算執(zhí)行與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算。移位運(yùn)算執(zhí)行左移、右移等移位運(yùn)算。定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算補(bǔ)碼加法將兩個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼相加，符號(hào)位也參與運(yùn)算，結(jié)果的符號(hào)位表示運(yùn)算結(jié)果的正負(fù)性。補(bǔ)碼減法將減數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，然后與被減數(shù)的補(bǔ)碼相加，符號(hào)位也參與運(yùn)算，結(jié)果的符號(hào)位表示運(yùn)算結(jié)果的正負(fù)性。溢出判斷判斷運(yùn)算結(jié)果是否溢出，如果溢出，則需要進(jìn)行相應(yīng)的處理。定點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算乘法可以使用移位和加法操作實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，例如原碼一位乘法、補(bǔ)碼一位乘法等。除法可以使用移位和減法操作實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，例如原碼恢復(fù)余數(shù)除法、補(bǔ)碼不恢復(fù)余數(shù)除法等。浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算1對(duì)階將兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的階碼對(duì)齊，使它們的階碼相等。2尾數(shù)運(yùn)算對(duì)兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)進(jìn)行加減運(yùn)算。3規(guī)格化將運(yùn)算結(jié)果規(guī)格化，使尾數(shù)的最高位為1。4舍入對(duì)尾數(shù)進(jìn)行舍入，以保證運(yùn)算結(jié)果的精度。浮點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算階碼運(yùn)算將兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的階碼相加（乘法）或相減（除法）。尾數(shù)運(yùn)算對(duì)兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)進(jìn)行乘法或除法運(yùn)算。規(guī)格化將運(yùn)算結(jié)果規(guī)格化，使尾數(shù)的最高位為1。舍入對(duì)尾數(shù)進(jìn)行舍入，以保證運(yùn)算結(jié)果的精度。存儲(chǔ)系統(tǒng)高速緩存存儲(chǔ)器（Cache）位于CPU和主存儲(chǔ)器之間，用于緩存常用的數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的訪問(wèn)速度。主存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，是CPU可以直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)和程序，例如硬盤、U盤等。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)1CPU寄存器速度最快，容量最小。2高速緩存存儲(chǔ)器（Cache）速度較快，容量較小。3主存儲(chǔ)器速度適中，容量適中。4輔助存儲(chǔ)器速度較慢，容量較大。高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）1Cache原理利用程序訪問(wèn)的局部性原理，將常用的數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)在Cache中，提高CPU的訪問(wèn)速度。2Cache映射方式包括直接映射、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射等。3Cache替換算法包括最近最少使用（LRU）算法、先進(jìn)先出（FIFO）算法等。主存儲(chǔ)器DRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，需要定期刷新，容量較大，速度較慢。SRAM靜態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，不需要定期刷新，速度較快，容量較小。ROM只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)固定的程序和數(shù)據(jù)，例如BIOS。輔助存儲(chǔ)器硬盤機(jī)械硬盤（HDD）和固態(tài)硬盤（SSD）。1U盤基于閃存的存儲(chǔ)設(shè)備。2光盤CD、DVD、藍(lán)光光盤。3虛擬存儲(chǔ)器虛擬地址程序使用的地址，與物理地址無(wú)關(guān)。物理地址實(shí)際的存儲(chǔ)器地址。地址映射將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過(guò)程，由操作系統(tǒng)完成。頁(yè)面置換當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，將部分頁(yè)面從內(nèi)存移到硬盤，騰出空間給新的頁(yè)面。主存儲(chǔ)器的組織與管理存儲(chǔ)分配將存儲(chǔ)空間分配給程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)保護(hù)防止程序訪問(wèn)不屬于自己的存儲(chǔ)空間。存儲(chǔ)共享允許多個(gè)程序共享同一存儲(chǔ)空間。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的原理與應(yīng)用DRAM利用電容存儲(chǔ)信息，需要定期刷新，容量大，成本低，速度相對(duì)較慢，廣泛應(yīng)用于主存儲(chǔ)器。SRAM利用觸發(fā)器存儲(chǔ)信息，不需要刷新，速度快，成本高，容量小，常用于高速緩存。FlashMemory非易失性存儲(chǔ)器，斷電后信息不丟失，速度適中，容量大，廣泛應(yīng)用于U盤、固態(tài)硬盤等。指令系統(tǒng)指令格式操作碼+地址碼指令類型算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、控制轉(zhuǎn)移指令等尋址方式立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等指令格式1操作碼指出指令要執(zhí)行的操作，例如加、減、乘、除等。2地址碼指出操作數(shù)的地址，或者指出下一條要執(zhí)行的指令的地址。指令的類型1算術(shù)運(yùn)算指令用于執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，例如加、減、乘、除等。2邏輯運(yùn)算指令用于執(zhí)行邏輯運(yùn)算，例如與、或、非、異或等。3數(shù)據(jù)傳輸指令用于在存儲(chǔ)器和寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)。4控制轉(zhuǎn)移指令用于改變程序的執(zhí)行順序，例如跳轉(zhuǎn)指令、條件分支指令等。尋址方式立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中。直接尋址指令中包含操作數(shù)的地址。間接尋址指令中包含操作數(shù)地址的地址。寄存器尋址操作數(shù)存儲(chǔ)在寄存器中。寄存器間接尋址指令中包含存儲(chǔ)操作數(shù)地址的寄存器。CISC與RISC指令集CISC復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，指令數(shù)量多，指令格式復(fù)雜，尋址方式多樣，指令執(zhí)行時(shí)間不確定。RISC精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，指令數(shù)量少，指令格式簡(jiǎn)單，尋址方式簡(jiǎn)單，指令執(zhí)行時(shí)間確定。匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1匯編指令與機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng)，可讀性較好。2偽指令不是真正的機(jī)器指令，用于控制匯編過(guò)程。3匯編程序?qū)R編語(yǔ)言程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序。中央處理器（CPU）運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。控制器控制指令的執(zhí)行順序，協(xié)調(diào)各個(gè)部件的工作。寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。高速緩存緩存常用的數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的訪問(wèn)速度。CPU的功能與組成取指令從存儲(chǔ)器中取出指令。譯碼分析指令的操作碼和地址碼。執(zhí)行根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。指令周期取指令周期從存儲(chǔ)器中取出指令。1譯碼周期分析指令的操作碼和地址碼。2執(zhí)行周期根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。3時(shí)序系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)控制CPU的各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作?？刂菩盘?hào)控制各個(gè)部件執(zhí)行相應(yīng)的操作?？偩€信號(hào)在各個(gè)部件之間傳輸數(shù)據(jù)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)方法微程序控制器將指令的執(zhí)行過(guò)程編寫(xiě)成微程序，存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中，通過(guò)執(zhí)行微程序來(lái)控制指令的執(zhí)行。硬布線控制器使用硬件電路直接實(shí)現(xiàn)指令的控制邏輯，速度快，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，不易修改。微程序控制器微指令控制存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的指令，用于控制各個(gè)部件執(zhí)行相應(yīng)的操作。微程序由一系列微指令組成的程序，用于實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令的執(zhí)行。硬布線控制器組合邏輯使用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)指令的控制邏輯。時(shí)序邏輯使用時(shí)序邏輯電路控制指令的執(zhí)行順序。流水線技術(shù)指令流水線將指令的執(zhí)行過(guò)程分解成多個(gè)階段，每個(gè)階段由不同的部件完成，實(shí)現(xiàn)指令的并行執(zhí)行，提高CPU的吞吐量?？偩€系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)。1地址總線用于傳輸?shù)刂贰?控制總線用于傳輸控制信號(hào)。3總線的概念與分類按傳輸方式分并行總線、串行總線按連接部件分內(nèi)部總線、外部總線總線結(jié)構(gòu)1單總線結(jié)構(gòu)2雙總線結(jié)構(gòu)3三總線結(jié)構(gòu)總線控制1總線仲裁解決多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求使用總線的問(wèn)題。2總線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的傳輸。總線標(biāo)準(zhǔn)PCIPeripheralComponentInterconnect，一種并行總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)。USBUniversalSerialBus，一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于各種外部設(shè)備。輸入/輸出系統(tǒng)I/O接口CPU與外部設(shè)備之間的橋梁。I/O方式CPU與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。中斷技術(shù)外部設(shè)備通過(guò)中斷請(qǐng)求通知CPU。DMA技術(shù)DirectMemoryAccess，外部設(shè)備直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器，無(wú)需CPU參與。I/O接口功能數(shù)據(jù)緩沖、地址譯碼、控制信號(hào)轉(zhuǎn)換、中斷管理類型并行接口、串行接口I/O方式程序查詢方式CPU不斷查詢外部設(shè)備的狀態(tài)，效率低。中斷方式外部設(shè)備通過(guò)中斷請(qǐng)求通知CPU，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效率較高。DMA方式外部設(shè)備直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器，無(wú)需CPU參與，效率最高。中斷技術(shù)中斷請(qǐng)求外部設(shè)備向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，保存當(dāng)前程序的現(xiàn)場(chǎng)。中斷處理CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理中斷事件。中斷返回CPU恢復(fù)被中斷程序的現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。DMA技術(shù)DMA控制器負(fù)責(zé)控制外部設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。I/O設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。1輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音箱等。2存儲(chǔ)設(shè)備硬盤、U盤、