计算机组成原理-第六章

计算机组成原理-第六章第六章概述计算机系统结构中央处理器存储器输入输出系统总线与通信第六章总结与展望第六章概述01掌握计算机系统的基本组成和工作原理，包括CPU、内存、I/O设备等主要部件的功能和相互作用。理解计算机指令的执行过程，包括取指、译码、执行和写回等阶段。了解计算机的性能评价指标，如CPI、MIPS、FLOPS等，以及提高计算机性能的方法。章节内容与目标

关键术语和概念CPU（中央处理器）计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。内存用于存储和访问数据的硬件设备，分为RAM和ROM两种类型。I/O设备输入/输出设备，用于与计算机进行交互，如键盘、鼠标、显示器等。03CPI（每条指令的时钟周期数）衡量CPU性能的重要指标，表示执行一条指令所需的平均时钟周期数。01指令计算机执行的基本操作，由操作码和操作数组成。02指令周期CPU执行一条指令所需的时间，包括取指、译码、执行和写回等阶段。关键术语和概念衡量CPU性能的另一个指标，表示每秒执行的百万条指令数。MIPS（百万条指令每秒）衡量计算机浮点运算性能的指标，表示每秒执行的浮点运算次数。FLOPS（浮点运算每秒）关键术语和概念计算机系统结构02高级语言级别高级语言是一种面向问题或过程的程序设计语言，易于编写和理解。汇编语言级别汇编语言是一种用助记符表示的、接近于机器语言的程序设计语言。操作系统级别操作系统通过管理硬件和软件资源，为用户提供方便易用的接口。微程序机器级别微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。传统机器语言级别用机器语言编写的程序可由微程序进行解释。计算机系统层次结构存储器用于存储数据和程序，包括主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。运算器执行算术运算和逻辑运算的部件，是计算机的核心部件之一。控制器控制计算机各部件协调工作，按照指令的要求完成各种操作。输入设备将用户输入的数据转换成计算机能识别的二进制代码，并送入内存。输出设备将计算机处理后的结果以人们能够识别的形式表现出来。计算机硬件组成系统软件应用软件支撑软件嵌入式软件计算机软件组成01020304包括操作系统、编译程序、数据库管理系统等，用于管理和控制计算机硬件及应用软件。为解决特定问题而开发的程序，如办公软件、图像处理软件等。用于支持其他软件的开发和维护的软件，如软件开发工具、软件测试工具等。嵌入在硬件中的软件，用于控制、监视或辅助硬件设备的操作和功能。中央处理器03功能中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令，控制计算机的各个部件协调工作，完成各种算术和逻辑运算，以及处理计算机内部和外部的数据。组成CPU主要由控制器、运算器和寄存器组等部件组成。其中，控制器负责指令的取指、译码和执行等操作；运算器负责进行算术和逻辑运算；寄存器组则用于暂存数据和地址等信息。CPU的功能和组成指令集指令集是CPU能识别的机器语言指令的集合，不同的CPU有不同的指令集。指令集可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两种类型。体系结构CPU的体系结构是指CPU内部各个部件的组织方式和它们之间的互连方式。常见的CPU体系结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构等。指令集体系结构主频缓存核心数制程技术CPU的性能指标主频是指CPU的时钟频率，通常以兆赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）表示。主频越高，CPU处理速度越快。缓存是位于CPU内部的高速存储器，用于暂存数据和指令等信息。缓存的大小和速度对CPU的性能有很大影响。核心数是指CPU内部集成的处理器核心数量。多核心CPU可以同时处理多个任务，提高计算机的并行处理能力。制程技术是指制造CPU的工艺技术，它决定了CPU的集成度、功耗和性能等指标。制程技术越先进，CPU的性能越高，功耗越低。存储器04位于CPU内部，速度最快，容量最小，用于暂存指令和数据。寄存器高速缓存（Cache）主存储器（内存）辅助存储器（外存）位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小，用于缓解CPU和主存之间的速度差异。位于计算机主机内部，速度与CPU相匹配，容量较大，用于存放正在运行的程序和数据。位于计算机主机外部，速度较慢，容量很大，用于长期保存信息。存储器的层次结构可读可写，断电后信息丢失，用于存放临时数据。随机存取存储器（RAM）只读不写或不易改写，断电后信息不丢失，用于存放固定程序或数据。只读存储器（ROM）速度快，价格高，容量小，常用于Cache。静态随机存取存储器（SRAM）速度较慢，价格较低，容量较大，常用于主存。动态随机存取存储器（DRAM）主存储器利用磁表面存储信息，具有容量大、价格低、可长期保存信息等优点。但存取速度较慢，常用于存放不经常访问的数据和程序。磁盘存储器利用激光在光盘表面上读写信息，具有容量大、价格低、可长期保存信息等优点。但存取速度较慢，常用于备份和存档。光盘存储器采用闪存技术存储数据，具有速度快、无噪音、抗震动等优点。但价格较高，容量相对较小。固态驱动器（SSD）辅助存储器输入输出系统05如键盘、鼠标、显示器等，用于实现人与计算机之间的信息交换。人机交互类设备存储设备网络通信设备如硬盘、U盘、光盘等，用于永久存储数据和程序。如网卡、路由器、交换机等，用于实现计算机之间的远程通信。030201I/O设备的类型和特点其他设备异步性实时性设备无关性I/O设备的类型和特点如打印机、扫描仪、摄像头等，用于实现特定功能。某些I/O设备（如音频、视频设备）需要实时处理数据，以保证数据的连续性和完整性。I/O设备的操作通常与CPU的操作不同步，需要专门的I/O控制逻辑来协调。操作系统应提供一种统一的、设备无关的方式来使用和管理各种I/O设备。解决速度不匹配问题。数据缓冲和锁存功能识别设备是否被选中。地址译码和设备选择功能I/O接口的功能和类型命令接收和转换功能将CPU命令转换为具体设备的操作命令。设备状态识别和报告功能便于CPU了解设备的状态。I/O接口的功能和类型根据I/O端口地址空间的管理方式分类。统一编址将I/O端口和内存单元统一编址，而独立编址则为I/O端口单独编址。根据数据传输的同步方式分类。同步接口采用同步控制信号进行数据传输，而异步接口则采用应答方式进行数据传输。I/O接口的功能和类型同步接口和异步接口统一编址和独立编址I/O控制方式程序查询方式CPU通过程序主动查询I/O设备的状态，若设备准备好则进行数据传送。这种方式简单但效率低下，因为CPU需要不断轮询设备状态。中断控制方式当I/O设备准备好数据后，通过中断请求通知CPU进行数据处理。这种方式提高了CPU的利用率，但需要额外的中断处理开销。DMA控制方式在主存和I/O设备之间设置一条数据通路，使得主存和设备之间可以直接进行数据交换，而无需CPU的干预。这种方式进一步提高了数据传输的效率。通道控制方式通道是一种特殊的处理机，专门负责管理和控制I/O操作。它可以独立于CPU执行一系列I/O操作，从而显著提高了系统的整体性能。总线与通信06总线（Bus）定义：总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线的概念和类型总线类型根据连接部件不同，总线可分为片内总线、系统总线和通信总线。系统总线又称内总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。常用的系统总线有ISA、EISA、PCI等。通信总线又称外总线或通信线路。用于微机系统之间或微机系统与其他系统（仪器、仪表、控制装置等）之间通信的总线，如EIARS-232C、IEEE-488等。片内总线芯片内部的总线，如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间、寄存器与算逻单元ALU之间都由片内总线连接。总线的概念和类型总线通信协议和标准在总线上进行通信的双方必须遵守的约定或规则，包括信息的传输方式、传输时间、传输顺序等。总线通信协议为了实现不同厂家生产的计算机部件之间的互连和通信，需要制定统一的总线标准。常见的总线标准有ISA、EISA、PCI等。这些标准规定了总线的电气特性、机械特性、功能特性以及传输特性等。总线标准总线性能指标和优缺点总线宽度指数据总线的根数，用bit（位）表示，它决定了每次能并行传送的数据位数，是影响数据传输速率的重要因素。总线带宽指单位时间内总线上传送的数据量，通常用每秒传送信息的字节数来衡量，单位可用MB/s（兆字节每秒）或GB/s（吉字节每秒）表示。指工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高，则总线工作速度越快。总线频率即驱动能力，指当总线接上负载后，总线输入输出的逻辑电平保持在正常的额定范围内时，允许的最大负载电流。总线负载能力总线性能指标和优缺点总线优点简化硬件设计：采用总线结构可以大大简化计算机硬件的设计，便于采用模块化结构设计方法，面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作cpu插件、存储器插件以及I/O插件等，将它们连入总线就可工作，而不必考虑总线的详细操作。总线性能指标和优缺点整个系统结构清晰。连线少，底板连线可以印制化。简化系统结构各功能部件的功能是独立的，各部件之间的信息传送的路径是确定的而且是唯一的，所以便于系统的扩充和更新。便于系统扩充采用总线结构可以简化计算机的维护工作，因为计算机硬件是模块化结构，所以只需对出现故障的模块进行维修或者更换即可。便于维护总线性能指标和优缺点利用总线传送具有分时性当有多个主设备同时申请总线的使用是必须进行总线的仲裁。总线的带宽有限如果连接到总线上的某个硬件设备没有资源调控机制容易造成信息的延时（这在某些即时性强的地方是致命的）。连到总线上的设备必须有信息的筛选机制要判断该信息是否是传送给自己的。总线性能指标和优缺点第六章总结与展望07123包括微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级等，各层次之间通过接口进行交互。计算机系统的层次结构包括CPU执行时间、指令条数、CPI、MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS等，用于评价计算机的性能。计算机的性能指标根据指令流和数据流的数量将计算机系统分为SISD、SIMD、MISD、MIMD四类。Flynn分类法关键知识点总结包括定点数和浮点数的表示和运算方法，以及运算器的设计和实现。数据的表示和运算包括Cache、主存、辅存等层次的构成和原理，以及虚拟存储器的概念和实现。存储器层次结构包括指令格式、寻址方式、指令集的设计和实现等。指令系统关键知识点总结总线包括总线的概念、分类、组成和性能指标等。中央处理器包括CPU的功能和组成、指令执行过程、控制器的设计和实现等。输入/输出系统包括I/O接口的功能和类型、I/O控制方式、中断和DMA技术等。关键知识点总结掌握了计算机系统的层次结构和性能指标，能够理解和评价不同计算机系统的性能特点。深入理解了数据的表示和运算方法，掌握了定点数和浮点数的运算规则和运算器的设计原理。了解了存储器层次结构的构成和原理，掌握了Cache、主存和辅存等存储器的设计方法和性能指标。章节内容回顾与评估熟悉了指令系统的设计和实现方法，掌握了指令格式、寻址方式和指令集的基本原理。了解了总线的概念、分类和组成，掌握了总线的性能指标和设计方法。深入理解了中央处理器的功能和组成，掌握了CPU的指令执行过程和控制器的设计原理。熟悉了输入/输出系统的功能和类型，掌握了I/O接口、