计算机组成原理(本全)课件

计算机组成原理(本全)课件目录CONTENTS计算机系统概述中央处理器(CPU)存储器系统输入输出(I/O)系统计算机的体系结构计算机的软件系统01计算机系统概述电子管计算机，20世纪40年代中期至50年代末期，主要用于军事和科学研究领域。第一代计算机晶体管计算机，20世纪50年代末期至60年代中期，开始应用于商业领域。第二代计算机集成电路计算机，20世纪60年代中期至70年代初，开始出现个人电脑。第三代计算机大规模集成电路计算机，20世纪70年代初至今，计算机技术迅速发展，广泛应用于各个领域。第四代计算机计算机的发展历程硬件系统包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等主要部分。软件系统包括系统软件和应用软件两大类。操作系统是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责管理和调度计算机的软硬件资源。计算机系统的组成计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。二进制数制计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执行。指令和程序将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运算和传输。存储程序原理计算机的工作原理02中央处理器(CPU)控制和运算计算机指令，处理数据，协调计算机各部分工作。功能运算器、控制器、寄存器、高速缓存等。组成CPU的功能和组成CPU从内存中读取指令，解码并执行，将结果存回内存或寄存器。指令执行将指令执行过程拆分成多个阶段，每个阶段由不同的硬件单元完成，以提高执行效率。流水线技术通过多核技术实现多个指令的同时执行，提高CPU的处理能力。并行处理CPU的工作原理CPU时钟频率，影响指令执行速度。主频缓存容量一级、二级、三级缓存IPC（每周期指令数）CPU内部存储数据的容量，直接影响CPU访问内存的次数。为了解决CPU高速处理和内存低速访问之间的矛盾，CPU内部设置的各级缓存。CPU每个时钟周期执行的指令数，是衡量CPU性能的重要指标。CPU的性能指标03存储器系统存储器的分类和作用根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程序。分类存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。作用内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成数据的读取或写入操作。工作原理内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的内存单元数量就越多。组织结构内存的工作原理和组织结构高速缓存高速缓存是一种特殊的存储器，位于CPU和主存之间，用于存储CPU近期访问过的数据和指令。由于CPU访问高速缓存的速度远高于访问主存的速度，因此高速缓存可以显著提高程序的执行效率。交互作用当CPU需要访问数据时，会首先访问高速缓存。如果数据在高速缓存中，CPU可以直接读取或写入数据；如果数据不在高速缓存中，则CPU需要将数据从主存中读取到高速缓存中，然后再进行操作。这种高速缓存和主存的交互作用可以减少CPU等待时间，提高程序的执行效率。高速缓存和主存的交互作用04输入输出(I/O)系统VS输入输出(I/O)系统是计算机中负责与外部世界进行交互的部分，它能够实现数据的输入、输出以及与外部设备的通信。组成I/O系统通常由输入设备、输出设备、接口电路和I/O控制器等组成。输入设备用于将数据输入到计算机中，而输出设备则用于将数据从计算机输出到外部环境中。接口电路是连接计算机内部总线与外部设备的桥梁，而I/O控制器则负责管理整个I/O系统的操作。功能I/O系统的功能和组成串行接口01串行接口是一种逐位传输数据的接口方式，常见的串行接口有RS-232、USB等。串行接口的优点是传输线少、成本低，适用于距离较近的设备间通信。并行接口02并行接口是一种同时传输多个数据位的接口方式，常见的并行接口有IEEE1284等。并行接口的优点是传输速度快，适用于高速数据传输。网络接口03网络接口是计算机与网络进行通信的接口方式，常见的网络接口有以太网、无线网卡等。网络接口使得计算机可以通过网络与其他计算机或设备进行通信。I/O设备的接口方式程序查询方式是一种由程序直接控制I/O设备的方式。在程序查询方式中，程序需要不断查询设备的状态，以确定设备是否准备好进行数据传输。如果设备未准备好，程序需要等待；如果设备已准备好，程序才能进行数据传输。程序查询方式的优点是简单易懂，但缺点是效率低下。中断方式是一种由硬件实现的I/O控制方式。在中断方式中，当I/O设备准备好进行数据传输时，会向CPU发送一个中断信号。CPU在接收到中断信号后，会暂停当前任务，转而处理I/O设备的请求。中断方式的优点是效率高，适用于高速数据传输；但缺点是需要硬件支持，实现起来较为复杂。DMA方式是一种由DMA控制器实现的I/O控制方式。在DMA方式中，当I/O设备准备好进行数据传输时，会向DMA控制器发送一个请求信号。DMA控制器在接收到请求信号后，会直接与内存进行数据传输，而不需要CPU的参与。DMA方式的优点是效率高，适用于高速数据传输；但缺点是需要额外的硬件支持，实现起来较为复杂。程序查询方式中断方式DMA方式I/O设备的控制方式05计算机的体系结构操作系统层提供系统软件，如操作系统、驱动程序等，用于管理硬件资源、调度任务和提供应用程序接口。应用程序层包括各种应用程序，如办公软件、游戏、浏览器等，为用户提供所需的功能和界面。硬件层包括中央处理器、内存、输入/输出设备等硬件组件，负责执行指令和数据传输。计算机的层次结构能耗评估计算机运行时的能源消耗，通常以每秒每瓦特执行的百万条指令数（MIPS/W）来衡量。运算速度评估计算机执行指令和计算数据的速度，通常以每秒执行的百万条指令数（MIPS）或浮点运算次数（FLOPS）来衡量。存储容量评估计算机存储数据的能力，包括内存大小、硬盘容量等。可靠性评估计算机在一定时间内无故障运行的能力，通常以平均故障间隔时间（MTBF）来衡量。计算机的性能评估并行处理通过多个处理器同时处理多个任务，以提高计算机系统的性能和效率。并行处理可以分为时间并行和空间并行