曹桂涛计算机组成课件

计算机组成本课程涵盖计算机系统的核心组成部分，包括中央处理器（CPU）、主存储器、输入输出设备等。课程旨在帮助学生深入理解计算机系统的结构和工作原理，并掌握相关理论知识和应用技能。课程简介计算机组成原理计算机组成原理是一门核心课程，介绍计算机系统的硬件组成和工作原理。学习目标理解计算机系统的基本概念和组成结构，掌握计算机硬件工作原理。内容涵盖数字逻辑电路、存储器系统、中央处理器、输入/输出系统等。计算机组成的基本概念硬件系统计算机硬件系统是计算机的物理组成部分，包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入/输出设备等。这些硬件共同协作，执行计算、存储数据并与外部世界交互。软件系统软件系统是计算机的逻辑组成部分，包括操作系统、应用程序、驱动程序等。软件负责控制硬件的运行、管理数据和提供用户界面。数字逻辑电路基础基本逻辑门基本逻辑门是数字电路的核心组件。他们通过对输入信号执行逻辑运算来实现布尔代数，并输出结果。布尔代数布尔代数为数字逻辑电路的设计提供了一个数学框架。它通过逻辑运算符来表示和分析数字电路的行为。逻辑电路逻辑电路是由多个逻辑门组成的，通过连接多个逻辑门，可以实现复杂的功能。集成电路集成电路是将多个逻辑门集成到一个硅片上，实现了更高的效率和更小的体积。存储器系统11.简介存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的关键部件，分为主存和辅存，主存速度快但容量有限，辅存容量大但速度慢。22.主存储器主存是CPU直接访问的内存，通常采用DRAM技术，按字节寻址，分为RAM和ROM，RAM可读写，ROM只读。33.辅存储器辅存是存储容量大但速度慢的存储器，包括硬盘、光盘、磁带等，用于长期保存数据。44.存储器层次结构为了提高系统性能，计算机采用多级存储器层次结构，高速缓存（Cache）用于加速访问主存。中央处理器(CPU)核心组件CPU是计算机的核心，执行指令和处理数据。它包含算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)和寄存器组。指令执行CPU从内存中读取指令，并根据指令执行相应的操作，例如算术运算、逻辑运算、数据传输、控制流程等。核心指标CPU的性能指标包括主频、核心数量、缓存大小、指令集体系结构等。技术发展现代CPU采用了各种技术来提高性能，例如流水线技术、多核技术、超线程技术等。指令系统与程序执行指令系统是计算机硬件与软件的桥梁，定义了CPU可以执行的指令集，包括数据格式、寻址方式、指令格式等。1程序执行CPU从内存中取出指令，并按照指令进行操作。2指令译码CPU将指令转换成控制信号，控制相关部件工作。3指令获取CPU从内存中读取指令到指令寄存器。程序执行过程是一个循环往复的过程，从获取指令开始，经过译码、执行等步骤，最后得到结果并跳转到下一条指令。总线系统数据总线数据总线用于在系统各个组件之间传输数据，例如CPU和内存之间。数据总线的宽度决定了每次传输的数据量，通常以字节或位为单位。地址总线地址总线用于指定要访问的内存位置或外设的地址。地址总线的宽度决定了系统可以访问的内存或外设的地址空间大小。控制总线控制总线用于控制系统中各个组件之间的通信和操作。例如，控制总线可用于向CPU发送读写信号，或控制数据传输的起始和结束。输入/输出系统输入设备键盘鼠标扫描仪输出设备显示器打印机音箱通信设备网卡调制解调器无线网卡输入/输出系统是计算机与外部世界交互的桥梁。它负责接收来自外部世界的各种数据和指令，并将计算机处理后的结果输出到外部世界。操作系统概述11.资源管理操作系统管理计算机的硬件和软件资源，例如CPU、内存、磁盘和外设。22.用户接口操作系统提供用户界面，方便用户与计算机交互，例如图形界面或命令行界面。33.程序执行操作系统负责加载、执行和管理应用程序，并提供必要的运行环境。44.安全与保护操作系统保护系统资源和用户数据，防止恶意软件和非法访问。计算机性能与评价指标计算机性能的评估是一个复杂的过程，需要考虑多个因素，包括速度、效率、可靠性和可扩展性。通常使用各种指标来衡量这些因素。一些常用的性能指标包括:每秒指令数(IPS)每秒浮点运算次数(FLOPS)内存带宽磁盘I/O速度系统吞吐量延迟除了这些指标外，还需要考虑系统架构、软件环境和工作负载等因素，才能对计算机性能进行全面评估。指令集体系结构指令集体系结构概述指令集体系结构(ISA)定义了计算机系统的指令格式、数据类型、寻址方式和操作码等关键要素。指令集类型CISC:复杂指令集计算机RISC:精简指令集计算机指令集设计原则指令集设计应兼顾效率、性能、兼容性和安全性等因素。微程序控制定义微程序控制是一种用微程序实现控制器的设计方法，它将指令的执行过程分解为一系列基本操作，并用微指令来描述这些操作。优点微程序控制具有易于修改、灵活性和可扩展性等优点，可以适应不同的指令集和功能需求。工作原理微程序控制单元首先根据指令的地址找到相应的微程序，然后逐条执行微指令，最终完成指令的执行。流水线技术1指令分解将指令分解成多个子任务2流水线阶段每个阶段执行一个子任务3并行执行多个指令的子任务同时执行4提高效率缩短指令执行时间流水线技术通过将指令分解成多个子任务，在不同的阶段同时执行不同的子任务，从而提高指令执行效率。高性能CPU体系结构多核处理器增加核心数量，提高并行处理能力。流水线技术将指令执行分成多个阶段，提高指令执行效率。缓存存储器加速数据访问，减少CPU等待时间。向量处理器针对特定类型计算进行优化，提高计算速度。存储器层次结构层次结构存储器系统通常采用多级层次结构，从速度快、容量小的高速缓存到速度慢、容量大的硬盘。这种层次结构可以提高系统性能，通过将常用的数据和指令放置在更快的级别，减少访问时间。访问速度与成本高速缓存通常使用SRAM技术，速度最快，但成本也最高。主存储器通常使用DRAM技术，速度较慢，但成本较低。磁盘存储器速度最慢，但成本最低，主要用于存储大量数据。缓存存储器1高速缓冲存储器缓存存储器是介于CPU和主存储器之间的快速存储器，用于保存最近被CPU访问过的数据和指令，以加快访问速度。2提高访问速度缓存存储器比主存储器快得多，因此可以更快地提供数据和指令，从而提高系统整体性能。3提高效率缓存存储器通过减少CPU访问主存储器的频率来提高系统效率，从而缩短程序执行时间。4缓存机制缓存机制采用局部性原理，根据数据和指令的访问模式，将常用的数据和指令保存在高速缓存中，以便快速访问。虚拟存储器地址转换虚拟地址空间比物理地址空间更大，需要地址转换机制来将虚拟地址映射到物理地址。分页机制将虚拟地址空间分成固定大小的页，物理地址空间分成相同大小的块，通过页表实现页与块的映射。页面置换当需要访问不在内存中的页面时，需要将其从磁盘加载到内存，并选择一个页面进行替换。虚拟存储器优点可以运行比物理内存更大的程序，提高程序的效率和可靠性。并行处理技术多核处理器在单个芯片上集成多个处理器核心，以实现并行计算。云计算利用分布式系统和虚拟化技术，提供可扩展的计算资源。图形处理器(GPU)专为并行计算而设计，在图像处理和机器学习等领域发挥作用。高性能计算集群将多个计算机系统连接在一起，协同解决大型计算问题。多核处理器多核处理器的优点提高计算机性能,缩短程序运行时间.多核处理器可以同时执行多个任务,提高系统吞吐量和响应速度.多核处理器的应用广泛应用于个人电脑、服务器、移动设备等.例如，智能手机、游戏机、云计算等领域.嵌入式系统组成微处理器嵌入式系统的核心，负责控制和处理数据。存储器存储程序和数据，包括ROM、RAM和闪存。输入/输出接口与外部设备通信，例如传感器、执行器和显示器。电路板集成所有组件，并提供电源和连接。可编程逻辑器件基本概念可编程逻辑器件是指用户可以根据自己的需求进行编程的逻辑器件，通常用硬件描述语言进行描述，并使用专用软件进行设计。主要类型可编程逻辑器件主要包括现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。FPGA具有更高的灵活性，而CPLD具有更高的速度和密度。设计流程可编程逻辑器件的设计流程包括设计输入、逻辑综合、布局布线、器件编程等步骤，需要专业的电子设计自动化(EDA)工具的支持。可重构计算可重构计算可重构计算是一种新的计算模式，它允许用户根据特定应用的需求动态地改变硬件结构和功能。FPGA现场可编程门阵列(FPGA)是一种可重构硬件设备，可以根据设计需求重新配置。应用领域可重构计算广泛应用于图像处理、信号处理、人工智能、高性能计算等领域。硬件描述语言11.HDL简介HDL是一种专门用于描述硬件电路的语言。22.HDL的作用HDL允许工程师使用类似于软件编程的语法来设计和描述硬件。33.HDL的优势HDL提高了设计效率，方便了电路的仿真、验证和调试。44.常用HDL常用的HDL包括Verilog和VHDL。系统仿真技术系统建模系统仿真技术首先需要建立目标系统的模型，包括硬件和软件。模型可以是数学模型、逻辑模型或图形模型。仿真执行建立好模型后，就可以使用仿真软件进行模拟运行。仿真过程可以模拟系统的各种行为，例如数据流、控制流、时序变化等。结果分析仿真完成后，需要对仿真结果进行分析，验证模型的准确性和有效性。分析结果可以帮助优化系统设计，提高系统性能。应用场景系统仿真技术广泛应用于各种领域，例如电子设计、航空航天、金融工程等。它可以帮助设计人员在实际制造前对系统进行验证，减少风险和成本。总线标准与接口技术主板总线主板总线是计算机系统中最重要的总线之一，用于连接CPU、内存、显卡等关键部件。它支持高速数据传输，确保系统高效运行。外部接口外部接口连接各种外围设备，例如键盘、鼠标、打印机等，实现系统与外部世界的交互。常见的接口包括USB、SATA、PCIe等。数据传输各种总线和接口共同构成了计算机系统的数据传输通道，保证数据在不同组件之间高效流动，实现计算机的整体功能。集成电路制造技术硅晶圆集成电路制造的核心，它是芯片的基底，通过光刻、刻蚀、掺杂等工艺，最终形成复杂的电路结构。光刻技术将电路图案转移到硅晶圆上的关键技术，通过光刻机将掩模上的图案曝光到光敏材料上，然后通过显影、刻蚀等步骤形成电路图形。制造工艺包括氧化、刻蚀、掺杂、薄膜沉积等工艺，每个步骤都对芯片性能和可靠性至关重要，需要严格控制工艺参数。封装技术将芯片封装成可以使用的器件，包括引脚、封装材料、散热等，封装技术的进步可以提高芯片性能和可靠性。电源与散热技术1电源设计电源系统负责为计算机提供稳定的直流电。电源设计需要考虑效率、可靠性和安全性等因素。2散热管理计算机运行时会产生大量的热量，散热系统负责将热量散发出去，确保计算机正常工作。3散热方式常见的散热方式包括风冷、水冷和液氮冷却，不同散热方式的效率和成本各不相同。4热设计功耗热设计功耗(TDP)代表了处理器在正常运行时的最大功耗，也是衡量散热能力的重要指标。计算机系统可靠性可靠性定义计算机系统可靠性是指系统在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。计算机系统可靠性衡量系统正常运行的可能性，涉及硬件、软件、数据等方面的稳定性。可靠性评估指标常见的可靠性评估指标包括平均无故障时间(MTBF)、平均故障间隔时间(MTTR)、可用性、可靠性等。可靠性设计原则计算机系统可靠性设计