計算機組成原理(本全)課件

計算機組成原理(本全)課件目錄CONTENTS計算機系統(tǒng)概述中央處理器(CPU)存儲器系統(tǒng)輸入輸出(I/O)系統(tǒng)計算機的體系結構計算機的軟件系統(tǒng)01計算機系統(tǒng)概述電子管計算機，20世紀40年代中期至50年代末期，主要用于軍事和科學研究領域。第一代計算機晶體管計算機，20世紀50年代末期至60年代中期，開始應用于商業(yè)領域。第二代計算機集成電路計算機，20世紀60年代中期至70年代初，開始出現個人電腦。第三代計算機大規(guī)模集成電路計算機，20世紀70年代初至今，計算機技術迅速發(fā)展，廣泛應用于各個領域。第四代計算機計算機的發(fā)展歷程硬件系統(tǒng)包括運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等主要部分。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。操作系統(tǒng)是計算機的軟件系統(tǒng)中最基本、最重要的部分，負責管理和調度計算機的軟硬件資源。計算機系統(tǒng)的組成計算機內部采用二進制數制進行運算和存儲。二進制數制計算機按照程序中預定的指令序列進行自動執(zhí)行。指令和程序將程序和數據存儲在計算機內部，根據指令從存儲器中取出數據和指令進行運算和傳輸。存儲程序原理計算機的工作原理02中央處理器(CPU)控制和運算計算機指令，處理數據，協調計算機各部分工作。功能運算器、控制器、寄存器、高速緩存等。組成CPU的功能和組成CPU從內存中讀取指令，解碼并執(zhí)行，將結果存回內存或寄存器。指令執(zhí)行將指令執(zhí)行過程拆分成多個階段，每個階段由不同的硬件單元完成，以提高執(zhí)行效率。流水線技術通過多核技術實現多個指令的同時執(zhí)行，提高CPU的處理能力。并行處理CPU的工作原理CPU時鐘頻率，影響指令執(zhí)行速度。主頻緩存容量一級、二級、三級緩存IPC（每周期指令數）CPU內部存儲數據的容量，直接影響CPU訪問內存的次數。為了解決CPU高速處理和內存低速訪問之間的矛盾，CPU內部設置的各級緩存。CPU每個時鐘周期執(zhí)行的指令數，是衡量CPU性能的重要指標。CPU的性能指標03存儲器系統(tǒng)存儲器的分類和作用根據存儲器的功能和位置，可以分為內存和外存兩大類。內存是計算機內部存儲器，用于存放運算數據和程序代碼；外存則是計算機外部存儲器，用于長期保存大量數據和程序。分類存儲器是計算機的重要組成部分，它負責存儲程序運行過程中所需的數據、指令等信息，使得CPU能夠快速、準確地讀取和寫入數據，從而完成程序的執(zhí)行。作用內存由多個存儲單元組成，每個單元可以存儲一個二進制數。當CPU需要讀取或寫入數據時，會通過地址總線發(fā)送地址信號，內存控制器根據地址信號找到對應的存儲單元，完成數據的讀取或寫入操作。工作原理內存的組織結構通常采用線性編址方式，即將內存單元按照一定順序排列，每個單元都有一個唯一的地址。內存的容量大小由地址總線的位數決定，地址總線位數越多，可訪問的內存單元數量就越多。組織結構內存的工作原理和組織結構高速緩存高速緩存是一種特殊的存儲器，位于CPU和主存之間，用于存儲CPU近期訪問過的數據和指令。由于CPU訪問高速緩存的速度遠高于訪問主存的速度，因此高速緩存可以顯著提高程序的執(zhí)行效率。交互作用當CPU需要訪問數據時，會首先訪問高速緩存。如果數據在高速緩存中，CPU可以直接讀取或寫入數據；如果數據不在高速緩存中，則CPU需要將數據從主存中讀取到高速緩存中，然后再進行操作。這種高速緩存和主存的交互作用可以減少CPU等待時間，提高程序的執(zhí)行效率。高速緩存和主存的交互作用04輸入輸出(I/O)系統(tǒng)VS輸入輸出(I/O)系統(tǒng)是計算機中負責與外部世界進行交互的部分，它能夠實現數據的輸入、輸出以及與外部設備的通信。組成I/O系統(tǒng)通常由輸入設備、輸出設備、接口電路和I/O控制器等組成。輸入設備用于將數據輸入到計算機中，而輸出設備則用于將數據從計算機輸出到外部環(huán)境中。接口電路是連接計算機內部總線與外部設備的橋梁，而I/O控制器則負責管理整個I/O系統(tǒng)的操作。功能I/O系統(tǒng)的功能和組成串行接口01串行接口是一種逐位傳輸數據的接口方式，常見的串行接口有RS-232、USB等。串行接口的優(yōu)點是傳輸線少、成本低，適用于距離較近的設備間通信。并行接口02并行接口是一種同時傳輸多個數據位的接口方式，常見的并行接口有IEEE1284等。并行接口的優(yōu)點是傳輸速度快，適用于高速數據傳輸。網絡接口03網絡接口是計算機與網絡進行通信的接口方式，常見的網絡接口有以太網、無線網卡等。網絡接口使得計算機可以通過網絡與其他計算機或設備進行通信。I/O設備的接口方式程序查詢方式是一種由程序直接控制I/O設備的方式。在程序查詢方式中，程序需要不斷查詢設備的狀態(tài)，以確定設備是否準備好進行數據傳輸。如果設備未準備好，程序需要等待；如果設備已準備好，程序才能進行數據傳輸。程序查詢方式的優(yōu)點是簡單易懂，但缺點是效率低下。中斷方式是一種由硬件實現的I/O控制方式。在中斷方式中，當I/O設備準備好進行數據傳輸時，會向CPU發(fā)送一個中斷信號。CPU在接收到中斷信號后，會暫停當前任務，轉而處理I/O設備的請求。中斷方式的優(yōu)點是效率高，適用于高速數據傳輸；但缺點是需要硬件支持，實現起來較為復雜。DMA方式是一種由DMA控制器實現的I/O控制方式。在DMA方式中，當I/O設備準備好進行數據傳輸時，會向DMA控制器發(fā)送一個請求信號。DMA控制器在接收到請求信號后，會直接與內存進行數據傳輸，而不需要CPU的參與。DMA方式的優(yōu)點是效率高，適用于高速數據傳輸；但缺點是需要額外的硬件支持，實現起來較為復雜。程序查詢方式中斷方式DMA方式I/O設備的控制方式05計算機的體系結構操作系統(tǒng)層提供系統(tǒng)軟件，如操作系統(tǒng)、驅動程序等，用于管理硬件資源、調度任務和提供應用程序接口。應用程序層包括各種應用程序，如辦公軟件、游戲、瀏覽器等，為用戶提供所需的功能和界面。硬件層包括中央處理器、內存、輸入/輸出設備等硬件組件，負責執(zhí)行指令和數據傳輸。計算機的層次結構能耗評估計算機運行時的能源消耗，通常以每秒每瓦特執(zhí)行的百萬條指令數（MIPS/W）來衡量。運算速度評估計算機執(zhí)行指令和計算數據的速度，通常以每秒執(zhí)行的百萬條指令數（MIPS）或浮點運算次數（FLOPS）來衡量。存儲容量評估計算機存儲數據的能力，包括內存大小、硬盤容量等。可靠性評估計算機在一定時間內無故障運行的能力，通常以平均故障間隔時間（MTBF）來衡量。計算機的性能評估并行處理通過多個處理器同時處理多個任務，以提高計算機系統(tǒng)的性能和效率。并行處理可以分為時間并行和空間并行