计算机组成原理(李华)课件

计算机组成原理本课程介绍计算机系统的硬件组成和工作原理，着重讲解计算机组成原理和体系结构的基本概念、方法和技术，以及现代计算机系统中常用的硬件技术和系统设计方法。课程简介课程目标1.掌握计算机系统的基本组成和工作原理2.理解计算机体系结构的概念和设计方法3.熟悉现代计算机系统中常用的硬件技术和系统设计方法4.培养学生分析和解决计算机系统问题的能力课程内容1.计算机系统的层次结构2.运算器、控制器、存储器和输入/输出设备3.CPU的工作原理和指令系统4.存储系统、I/O系统和总线系统5.并行处理和计算机系统性能评估6.计算机发展历程和未来发展趋势计算机系统的层次结构1应用层用户可以直接使用的软件，如操作系统、数据库系统、应用程序等2系统软件层管理和控制硬件资源的软件，如操作系统、编译器、链接器等3硬件层计算机系统的物理组成，包括CPU、存储器、输入/输出设备等计算机组成的主要部件运算器执行算术运算和逻辑运算控制器控制计算机系统各个部件的工作存储器存储数据和程序输入/输出设备与外部世界进行信息交换运算器的硬件实现算术运算单元(ALU)实现加、减、乘、除等算术运算逻辑运算单元实现逻辑运算，如“与”、“或”、“非”等控制器的硬件实现指令译码将指令转换为控制信号时序控制控制指令执行的顺序和时间数据流控制控制数据在各个部件之间的传输存储器的基本概念存储单元存储数据的最小单位地址每个存储单元的唯一标识数据存储在存储单元中的信息主存储器的硬件实现随机存取存储器(RAM)可以随机访问任何存储单元，速度快，但断电后数据会丢失只读存储器(ROM)只能读取数据，不能写入数据，断电后数据不会丢失存储器的层次结构1高速缓存速度最快，容量最小，用于存放最常访问的数据2主存储器速度较快，容量中等，用于存放当前正在运行的程序和数据3辅助存储器速度最慢，容量最大，用于存放长期保存的数据和程序输入/输出子系统输入设备将外部信息输入到计算机系统，如键盘、鼠标、扫描仪等输出设备将计算机系统的信息输出到外部，如显示器、打印机、音箱等I/O接口连接输入/输出设备和计算机系统I/O通道负责输入/输出设备与主存储器之间的信息传输I/O设备的分类字符设备输入或输出字符流，如键盘、打印机等块设备输入或输出数据块，如磁盘、磁带等通信设备用于与其他计算机系统进行通信，如调制解调器、网络接口卡等I/O接口的作用1协议转换将输入/输出设备的协议转换为计算机系统内部的协议2数据格式转换将输入/输出设备的数据格式转换为计算机系统内部的数据格式3数据缓冲缓冲输入/输出设备与计算机系统之间的速度差异4错误检测和处理检测和处理输入/输出过程中的错误I/O通道的实现1选择通道用于选择要访问的输入/输出设备2数据通道用于输入/输出设备与主存储器之间的数据传输3控制通道用于控制输入/输出设备的工作中断机制的原理中断请求输入/输出设备发出中断请求1中断响应CPU响应中断请求2中断处理CPU执行中断处理程序3中断返回CPU返回原程序继续执行4中断处理的过程1保存断点保存CPU当前的状态，以便中断处理结束后能够恢复2保存现场保存与中断相关的寄存器内容3执行中断处理程序处理中断事件4恢复现场恢复与中断相关的寄存器内容5恢复断点恢复CPU的运行状态，继续执行原程序DMA技术的工作原理总线系统的概念1数据总线传输数据2地址总线指定数据传输的目标地址3控制总线控制数据传输的方向和方式总线的分类及特点系统总线连接CPU、主存储器和I/O接口I/O总线连接I/O设备和I/O接口内部总线连接CPU内部的各个部件总线的接口电路总线驱动器将信号放大，以确保信号在总线上可靠传输总线接收器接收来自总线上的信号总线协议及传输方式总线仲裁多个设备共享总线时，需要进行仲裁，以确定谁有权使用总线总线时序定义数据传输的时间关系总线传输方式同步传输、异步传输、半同步传输CPU的基本构成运算器执行算术运算和逻辑运算1控制器控制计算机系统的各个部件工作2寄存器组存放数据和指令3指令译码器将指令转换为控制信号4时序控制器控制指令执行的顺序和时间5CPU的工作过程1取指令从主存储器中取出指令2指令译码将指令转换为控制信号3执行指令根据控制信号执行指令4写回结果将指令执行的结果写入寄存器或主存储器指令系统的设计原则完整性能够完成所有的基本运算正交性指令之间相互独立，可以灵活组合高效性指令执行速度快，资源利用率高兼容性与其他计算机系统兼容指令格式的基本形式操作码字段指明指令的操作类型地址字段指明操作数的地址或操作数本身指令流水线的工作原理取指令从主存储器中取出指令指令译码将指令转换为控制信号执行指令根据控制信号执行指令写回结果将指令执行的结果写入寄存器或主存储器超标量技术的应用并行执行CPU有多个执行单元，可以同时执行多条指令指令调度CPU根据指令之间的依赖关系，对指令进行重新排序，以提高指令执行效率内存层次结构的作用提高存储器访问速度通过高速缓存和虚拟存储器，可以提高存储器访问速度1扩大存储器容量通过虚拟存储器，可以扩大存储器容量2降低存储器成本通过使用不同级别的存储器，可以降低存储器成本3高速缓存的工作原理1缓存命中CPU要访问的数据在缓存中，直接从缓存中读取数据2缓存未命中CPU要访问的数据不在缓存中，需要从主存储器中读取数据，并将数据写入缓存虚拟存储器的概念虚拟地址程序员看到的地址空间物理地址主存储器中的实际地址空间页表用于将虚拟地址转换为物理地址虚拟存储器的分页机制将虚拟地址空间划分为页将虚拟地址空间划分为大小相同的页将物理地址空间划分为页框将物理地址空间划分为大小相同的页框建立页表页表记录了虚拟页与物理页框的映射关系虚拟存储器的分段机制将虚拟地址空间划分为段将虚拟地址空间划分为大小不一的段将物理地址空间划分为段框将物理地址空间划分为大小不一的段框建立段表段表记录了虚拟段与物理段框的映射关系存储系统的性能指标1存储器容量存储器能够存储的数据量2存储器速度存储器访问数据的速度3存储器成本存储器的价格4存储器可靠性存储器存储数据的可靠性I/O系统的性能指标I/O速度输入/输出设备传输数据的速度I/O吞吐率单位时间内传输的数据量I/O延迟从发出I/O请求到完成I/O操作所需要的时间CPU性能的度量方法时钟频率CPU的工作速度每秒指令数(IPS)CPU每秒能够执行的指令数性能测试使用基准程序测试CPU的性能并行处理的基本概念并行计算使用多个处理器同时执行任务，以提高计算速度并行编程编写并行程序，使多个处理器能够同时执行任务并行架构支持并行处理的计算机系统架构并行处理的分类及特点1指令级并行在指令级别进行并行处理2数据级并行在数据级别进行并行处理3任务级并行在任务级别进行并行处理集成电路的工艺技术晶圆制造在晶圆上制造集成电路光刻使用光刻技术将电路图案转移到晶圆上封装将晶圆上的芯片封装成可使用的组件芯片