《計(jì)算機(jī)組成原理》課件

計(jì)算機(jī)組成原理本課件將帶您深入了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，探索從數(shù)據(jù)表示到指令執(zhí)行的奧秘。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述硬件包括CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等。軟件包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序等。數(shù)據(jù)的表示1進(jìn)制轉(zhuǎn)換了解不同進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換方法，如十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制。2編碼方式學(xué)習(xí)常用的編碼方式，例如ASCII、Unicode、BCD碼等。3數(shù)據(jù)類型掌握整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符等基本數(shù)據(jù)類型的表示方式。數(shù)字邏輯電路基本邏輯門了解與門、或門、非門、異或門等基本邏輯門的特性和功能。組合邏輯電路學(xué)習(xí)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，例如加法器、譯碼器、編碼器等。時(shí)序邏輯電路了解時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，例如計(jì)數(shù)器、寄存器等。存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器用于存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，速度快、容量小、價(jià)格高。輔助存儲(chǔ)器用于長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，速度慢、容量大、價(jià)格低。高速緩存用于存放經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，速度更快、容量更小。CPU結(jié)構(gòu)1控制單元負(fù)責(zé)控制指令的執(zhí)行流程，協(xié)調(diào)各個(gè)部件的工作。2運(yùn)算單元負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等操作。3寄存器組用于存放中間運(yùn)算結(jié)果、指令地址等臨時(shí)數(shù)據(jù)。指令系統(tǒng)指令格式了解指令的組成結(jié)構(gòu)，包括操作碼、操作數(shù)等。尋址方式學(xué)習(xí)不同的尋址方式，例如立即尋址、寄存器尋址、直接尋址等。指令類型掌握數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令等不同指令類型?？偩€系統(tǒng)1總線概念2總線類型3總線結(jié)構(gòu)4總線控制輸入輸出系統(tǒng)1I/O設(shè)備輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)等。輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)等。2I/O接口連接I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的橋梁，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)控制。3I/O控制方法了解程序控制I/O、中斷控制I/O、DMA控制I/O等方法。中斷機(jī)制1中斷源觸發(fā)中斷的事件，例如鍵盤輸入、磁盤讀寫完成等。2中斷處理操作系統(tǒng)接管控制權(quán)，處理中斷事件。3中斷返回返回中斷前的程序，繼續(xù)執(zhí)行。計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)CPU性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：主頻、指令集、緩存大小等。內(nèi)存性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：帶寬、延遲、容量等。磁盤性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：傳輸速率、訪問(wèn)時(shí)間、容量等。計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展趨勢(shì)數(shù)值運(yùn)算整數(shù)運(yùn)算了解定點(diǎn)整數(shù)的表示方法，掌握加減乘除等基本運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算學(xué)習(xí)浮點(diǎn)數(shù)的表示方法，掌握浮點(diǎn)數(shù)加減乘除等運(yùn)算。計(jì)數(shù)器和寄存器1計(jì)數(shù)器用于計(jì)數(shù)，例如程序計(jì)數(shù)器、指令計(jì)數(shù)器。2寄存器用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如通用寄存器、狀態(tài)寄存器。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)一級(jí)緩存速度最快、容量最小，用于存放最常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。二級(jí)緩存速度較快、容量中等，用于存放一級(jí)緩存中沒(méi)有的數(shù)據(jù)。三級(jí)緩存速度較慢、容量最大，用于存放二級(jí)緩存中沒(méi)有的數(shù)據(jù)。緩存技術(shù)緩存一致性確保多個(gè)緩存之間數(shù)據(jù)的一致性，避免數(shù)據(jù)沖突。緩存替換策略當(dāng)緩存滿時(shí)，選擇淘汰哪些數(shù)據(jù)，常用的策略有LRU、FIFO等。緩存命中率評(píng)價(jià)緩存性能的重要指標(biāo)，表示緩存中命中的比例。CPU流水線1流水線概念2流水線階段3流水線性能4流水線沖突超標(biāo)量處理器1超標(biāo)量概念2指令調(diào)度3數(shù)據(jù)依賴指令級(jí)并行1指令流水線2超標(biāo)量技術(shù)3多核處理器數(shù)據(jù)級(jí)并行向量處理器同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)元素。SIMD指令集使用單條指令操作多個(gè)數(shù)據(jù)。內(nèi)存管理內(nèi)存分配管理內(nèi)存空間的分配和回收，保證程序正常運(yùn)行。內(nèi)存保護(hù)防止不同程序之間相互干擾，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定。虛擬存儲(chǔ)器1分頁(yè)系統(tǒng)將內(nèi)存空間劃分為固定大小的頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射。2分段系統(tǒng)將程序劃分為邏輯段，每個(gè)段都有獨(dú)立的地址空間。設(shè)備控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)管理和控制具體設(shè)備，提供統(tǒng)一的接口。設(shè)備控制器負(fù)責(zé)控制設(shè)備的操作，與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。I/O中斷當(dāng)設(shè)備完成操作時(shí)，向CPU發(fā)送中斷信號(hào)，通知CPU進(jìn)行處理。中斷處理1中斷向量表2中斷服務(wù)程序3中斷返回I/O系統(tǒng)性能分析1數(shù)據(jù)傳輸速率2訪問(wèn)時(shí)間3I/O利用率DMA1DMA概念直接內(nèi)存訪問(wèn)，允許I/O設(shè)備直接訪問(wèn)內(nèi)存，無(wú)需CPU干預(yù)。2DMA控制器負(fù)責(zé)管理DMA操作，控制數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。3DMA優(yōu)點(diǎn)提高I/O效率，減輕CPU負(fù)擔(dān)。并行處理架構(gòu)多核處理器在一個(gè)芯片上集成多個(gè)CPU核心，提高計(jì)算能力。集群系統(tǒng)將多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，形成一個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái)。并行編程模型線程模型使用線程來(lái)并發(fā)執(zhí)行任務(wù)，例如多線程編程。消息傳遞模型使用消息傳遞機(jī)制在不同進(jìn)程之間進(jìn)