《计算机组成》课件

《计算机组成》计算机组成是计算机科学的重要基础课程。它揭示了计算机内部的结构、工作原理和各个部件之间的相互联系。作者：课程简介计算机硬件学习计算机系统的物理组成部分，包括CPU、内存、存储器、输入输出设备等。计算机软件深入了解操作系统、编程语言、编译器等软件系统如何协同工作。计算机网络探讨计算机网络的原理、协议、架构，以及网络通信技术。计算机数据学习数据表示、存储、处理等方面的知识，理解计算机如何处理信息。计算机系统层次结构1应用层提供用户可用的应用程序，例如网页浏览器、文字处理软件等。2系统软件层管理和控制计算机硬件资源，例如操作系统、数据库管理系统等。3硬件层包括计算机的物理组成部分，例如中央处理器、内存、硬盘等。这种层次结构将计算机系统分成不同的抽象层次，每个层次都建立在更低层次的基础上，并为更高层次提供服务。计算机硬件组成中央处理器(CPU)CPU是计算机的大脑，负责执行指令和处理数据。主存储器(RAM)RAM是计算机的短期记忆，用于存储当前正在使用的程序和数据。输入/输出设备输入/输出设备，如键盘、鼠标、显示器等，用于与用户交互和获取数据。总线系统总线是计算机内部各个组件之间连接的桥梁，用于传输数据和控制信号。中央处理器中央处理器(CPU)是计算机系统的核心，负责执行指令、处理数据和控制整个系统。它是计算机的“大脑”。CPU由运算器、控制器、寄存器和高速缓存组成，通过总线与主存储器、输入/输出设备连接，执行存储在主存储器中的指令。CPU的主要功能包括：取指令、解码指令、执行指令、存储结果。它处理所有计算、逻辑操作和数据流，使计算机能够运行各种程序。CPU执行流程1指令获取从内存中获取下一条指令，并存入指令寄存器。2指令译码解析指令，确定操作码和操作数，并生成相应的控制信号。3指令执行根据指令类型和控制信号，执行相应操作，例如运算、数据传输等。4结果存储将执行结果存入内存或寄存器中，以便后续使用。指令集和寻址方式11.指令集指令集是计算机系统能够执行的所有指令的集合。每个指令包含操作码和操作数。22.寻址方式寻址方式定义了指令中操作数地址的计算方法，常见的有立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、间接寻址等。33.指令格式指令格式决定了指令中操作码、操作数和地址字段的排列方式，常见的有定长指令格式和变长指令格式。44.指令系统指令系统是指计算机系统提供的全部指令的集合，包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等。运算器和控制器运算器运算器执行算术和逻辑运算，对数据进行处理，完成指令指定的运算操作。控制器控制器控制整个计算机系统的操作，从存储器取出指令，解释指令，并发出相应的控制信号，协调计算机各部件工作。存储器系统存储器是计算机系统中的核心部件之一。它是用来存储程序和数据的重要场所。存储器系统是指由多个存储器部件组成的系统，它们相互配合，共同完成程序和数据的存储、读取和管理。存储器系统主要包括主存储器、高速缓存和辅助存储器。主存储器是CPU直接访问的存储器，用于存放当前正在执行的程序和数据。高速缓存是用来加速主存储器访问的存储器，它存放了主存储器中常用的数据。辅助存储器是用来存放长期保存的数据和程序的存储器，它通常容量较大、价格较低。主存储器定义主存储器也称为内存，是计算机系统中直接与CPU交互的核心部件。它用于存储正在运行的程序和数据，供CPU随时访问。类型主存储器主要分为两种类型：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM是易失性存储器，数据断电后会丢失；ROM是非易失性存储器，数据断电后不会丢失。特点主存储器具有速度快、容量大、价格昂贵等特点。它与CPU的速度和容量直接影响着计算机的性能。存储器层次1缓存速度最快，容量最小2主存速度较快，容量中等3辅存速度最慢，容量最大存储器层次结构是一种分层结构，由速度和容量不同的存储器组成，可以提高系统的性能。高速缓存高速缓存（Cache）是位于CPU和主存储器之间的一级存储器，用于存放主存储器中经常被访问的数据和指令。高速缓存的访问速度远快于主存储器，可以有效地减少CPU访问主存储器的次数，提高程序运行效率。输入/输出系统11.输入设备键盘、鼠标、扫描仪等，将外部信息转换为计算机可处理的信号。22.输出设备显示器、打印机、扬声器等，将计算机内部信息转换为人类可感知的形式。33.I/O接口连接计算机内部和外部设备，实现数据传输和控制。44.I/O控制器控制输入/输出设备的操作，管理数据传输，并与CPU交互。输入设备键盘键盘是输入设备中最常用的，用于输入文字、数字、符号等信息。键盘种类繁多，包括机械键盘、薄膜键盘等。鼠标鼠标是常用的指向设备，用于控制光标移动、选择和操作计算机。扫描仪扫描仪可以将纸质文档、照片等转换成电子图像，并将图像数据输入计算机。触摸屏触摸屏可以直接用手指或触控笔在屏幕上进行操作，已成为智能手机、平板电脑等移动设备的标准配置。输出设备显示器将计算机处理后的结果以图形或文字的形式显示给用户。打印机将计算机处理后的结果以纸质形式输出。扬声器将计算机处理后的声音信号转换为可听见的声音。调制解调器用于将计算机数据转换为可通过电话线传输的信号。总线系统定义总线是连接计算机各个部件的通信路径。功能传输数据、地址和控制信号，协调各个部件之间的通信。分类数据总线地址总线控制总线类型内部总线外部总线总线的物理特性信号线类型总线信号线分为地址线、数据线和控制线。地址线用于指定访问的存储器单元或外设。数据线用于传输数据，控制线用于控制数据传输和协调各种设备。总线宽度总线宽度是指总线上数据线数量，决定一次传输的数据位数。总线宽度越宽，数据传输速度越快，但成本也会更高。总线频率总线频率是指总线上信号变化的频率，也称为时钟频率。频率越高，数据传输速度越快，但功耗也会更高。总线类型总线类型多种多样，例如并行总线、串行总线、内部总线、外部总线等。不同类型总线具有不同的特点，适用于不同的应用场景。总线的逻辑特性数据传输方式总线传输数据的方式有串行和并行两种，串行传输速度较慢但成本较低，并行传输速度快但成本较高。时序控制总线时序控制负责协调各设备之间的数据传输，常见时序控制方式有同步时序和异步时序，同步时序由时钟信号控制，异步时序由握手信号控制。总线仲裁总线仲裁用于解决多个设备争用总线资源的问题，常见的仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。总线协议总线协议定义了各设备之间数据传输的规则，包括数据格式、传输方式、时序控制等方面，保证各设备能够协调工作。中断机制1定义中断是CPU暂停当前任务，转而处理其他事件的机制。2类型中断分为硬件中断和软件中断，分别由外部硬件和软件触发。3过程中断处理包括中断请求、中断响应、中断处理和中断返回等步骤。外围设备接口11.接口类型串行接口、并行接口、USB接口、PCI接口等，为计算机系统提供扩展能力。22.接口标准定义了接口的物理特性、信号协议、数据传输方式，确保设备兼容性。33.接口功能提供数据传输、控制信号、地址译码等功能，实现计算机与外设的交互。44.接口技术随着技术发展，接口技术不断更新，例如高速接口、智能接口等，提高数据传输效率。系统软件系统软件概述系统软件是管理计算机硬件资源和提供用户程序运行环境的软件。它负责管理计算机硬件资源，提供用户界面，运行应用程序。系统软件作用系统软件充当硬件和应用程序之间的桥梁。它为应用程序提供运行环境，管理计算机资源，保障系统安全。操作系统概述系统管理操作系统管理计算机硬件资源，如CPU、内存、磁盘等。它提供对这些资源的抽象接口，使应用程序能够更方便地使用。程序执行操作系统负责加载、执行和管理应用程序。它提供进程管理、内存管理和文件管理等功能，以确保程序能够正常运行。用户界面操作系统提供用户界面，使用户能够与计算机交互，例如图形界面（GUI）或命令行界面（CLI）。进程管理进程控制创建、终止、挂起和激活进程。进程调度选择就绪进程，分配CPU资源。进程同步协调多个进程的执行顺序和数据共享。进程通信进程之间交换信息，实现协同工作。存储管理内存分配操作系统管理内存，分配给应用程序和系统进程。内存保护防止程序访问未分配的内存区域，确保系统稳定性。虚拟内存利用磁盘空间扩展内存，允许运行超出物理内存大小的程序。文件管理文件组织文件系统是操作系统的重要组成部分，它负责管理计算机中的文件和目录。访问控制文件管理还包括文件访问权限的管理，以保护用户数据安全。数据存储文件管理系统负责将文件分配到不同的存储设备，并进行数据备份和恢复。文件操作用户可以通过文件管理系统进行文件创建、删除、修改、复制等操作。设备管理设备连接设备管理负责管理计算机系统中各种输入输出设备。设备管理程序负责分配和管理设备，并提供统一的接口给应用程序使用。驱动程序操作系统提供驱动程序来控制和管理不同的设备。驱动程序是特定于设备的软件，它允许操作系统与硬件交互。设备分配设备分配包括为每个设备分配一个唯一的标识符，以及管理设备的访问权限。安全机制访问控制访问控制是通过授权机制限制对系统资源的访问，确保数据和资源的完整性和机密性。例如，用户身份验证和访问权限控制可以防止未经授权的访问。数据加密数据加密可以将敏感信息转换成无法理解的格式，防止未经授权的访问和修改。例如，使用加密算法和密钥来保护数据传输和存储的安全。安全审计安全审计可以记录和分析系统活动，识别潜在的安全风险和违规行为。例如，记录用户登录和操作日志，以及系统事件和错误信息。安全更新定期更新系统软件和安全补丁可以修复系统漏洞，防止恶意攻击和入侵。例如，安装最新的操作系统补丁和安全软件更新。性能评价计算机系统的性能评价是一个重要环节，它可以帮助我们了解系统运行效率，并为系统优化提供参考。性能评价指标主要包括以下几个方面：1速度CPU时钟频率、指令执行速度2吞吐量单位时间内处理的数据量3响应时间系统对请求做出响应的时间4效率系统资源的利用率为了获得更准确的评价结果，需要使用各种性能测试工具和方法。结构发展趋势11.多核化随着工艺技术的进步，芯片可以容纳更多晶体管，多个核心在同一个芯片上运行，提升性能。22.云计算云计算的兴起，导致服务器架构从传统的单机模式转变