《计算机组成原理与维护》课件

计算机组成原理与维护课程简介：学习目标与内容学习目标理解计算机系统的基本组成和工作原理；掌握数据的表示和运算方法；熟悉存储系统、输入输出系统、总线系统和中央处理器的结构与功能；掌握计算机的启动过程、病毒防护和常见故障的诊断与排除方法；了解计算机硬件升级、系统性能优化、虚拟机技术、云计算基础、物联网以及计算机发展趋势。课程内容计算机系统概述：硬件与软件计算机硬件计算机硬件是指构成计算机系统的各种物理设备，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备、总线等。硬件是计算机系统的物质基础，是软件运行的载体。计算机软件计算机软件是指控制和管理计算机硬件资源、实现各种应用功能的程序和数据。软件包括系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机系统的核心，负责管理和控制硬件资源；应用软件则是为了满足用户的特定需求而开发的程序。软硬件关系计算机发展简史1第一代（1946-1958）电子管计算机，体积大、功耗高、速度慢，主要用于科学计算。2第二代（1958-1964）晶体管计算机，体积减小、功耗降低、速度提高，开始应用于商业领域。3第三代（1964-1970）集成电路计算机，体积更小、功耗更低、速度更快，操作系统和高级语言得到发展。4第四代（1970至今）计算机系统的层次结构1应用层用户直接使用的各种应用程序。2操作系统层管理和控制硬件资源，提供用户接口。3指令集体系结构层定义计算机的指令集和寻址方式。4微体系结构层实现指令集体系结构的具体硬件结构。5硬件层数据的表示与运算：数制与编码数制计算机中常用的数制包括二进制、八进制、十进制和十六进制。不同的数制有不同的表示方法和运算规则。二进制是计算机内部使用的数制，八进制和十六进制则常用于简化二进制的表示。编码定点数的表示与运算1定点数的表示定点数是指小数点位置固定的数。定点数可以分为整数和纯小数两种类型。整数的小数点位于最低位的右侧，而纯小数的小数点位于最高位的左侧。定点数的表示方法包括原码、反码和补码。定点数的运算浮点数的表示与运算浮点数的表示浮点数是指小数点位置不固定的数。浮点数可以表示更大范围的数，并且可以保持一定的精度。浮点数的表示方法包括IEEE754标准等。IEEE754标准定义了浮点数的格式、精度和运算规则。浮点数的运算浮点数的运算包括加法、减法、乘法和除法。浮点数的运算需要进行对阶、尾数运算和规格化等步骤。浮点数的运算也需要注意溢出和舍入误差问题。算术逻辑单元（ALU）ALU的功能ALU是计算机中的核心部件，负责执行各种算术和逻辑运算。算术运算包括加法、减法、乘法和除法，逻辑运算包括与、或、非、异或等。ALU的组成ALU通常由加法器、移位器、逻辑运算电路和控制电路等组成。加法器负责执行加法运算，移位器负责执行移位运算，逻辑运算电路负责执行逻辑运算，控制电路负责控制ALU的各种操作。ALU的设计与实现加法器的设计加法器可以使用半加器、全加器和超前进位加法器等实现。不同的加法器有不同的性能和复杂度。1移位器的设计移位器可以使用逻辑移位器、算术移位器和循环移位器等实现。不同的移位器有不同的移位规则。2逻辑运算电路的设计逻辑运算电路可以使用与门、或门、非门和异或门等实现。不同的逻辑门有不同的逻辑功能。3存储系统：存储器的分类按存储介质分类存储器可以分为半导体存储器、磁表面存储器和光盘存储器等。半导体存储器包括RAM和ROM，磁表面存储器包括硬盘和磁带，光盘存储器包括CD-ROM和DVD-ROM。按存储方式分类存储器可以分为随机存储器、顺序存储器和相联存储器等。随机存储器可以随机访问任何存储单元，顺序存储器只能按顺序访问存储单元，相联存储器可以根据内容访问存储单元。按用途分类存储器可以分为主存储器和外存储器等。主存储器用于存储正在运行的程序和数据，外存储器用于存储长期保存的程序和数据。主存储器的组织与结构主存储器的组成主存储器通常由存储体、地址译码器和控制电路等组成。存储体用于存储数据，地址译码器用于将地址转换为存储单元的物理地址，控制电路用于控制主存储器的读写操作。主存储器的结构主存储器可以采用线性结构、二维结构和多体结构等。线性结构的存储单元按线性顺序排列，二维结构的存储单元按行列排列，多体结构的存储单元分为多个模块，可以并行访问。高速缓冲存储器（Cache）1Cache的概念Cache是一种高速小容量的存储器，用于存储主存储器中经常访问的数据。Cache可以提高计算机系统的访问速度，减少CPU的等待时间。2Cache的原理Cache的原理是利用程序的局部性原理，即程序在执行过程中会频繁访问某些数据。将这些数据存储在Cache中，可以提高程序的访问速度。Cache的工作原理与优化Cache的工作原理当CPU需要访问数据时，首先在Cache中查找。如果Cache中存在所需数据，则直接从Cache中读取；否则，从主存储器中读取数据，并将数据存储到Cache中。Cache的优化Cache的优化包括提高Cache的命中率、减少Cache的缺失率和减少Cache的访问时间等。常用的优化方法包括增加Cache的容量、采用更先进的Cache算法和优化程序的访问模式。外存储器：磁盘、光盘等磁盘磁盘是一种磁表面存储器，可以存储大量的数据。磁盘的优点是容量大、价格低，缺点是访问速度慢、容易损坏。光盘光盘是一种光存储器，可以存储数据、音频和视频等信息。光盘的优点是体积小、易于携带，缺点是容量有限、容易划伤。输入/输出系统：I/O接口I/O接口的功能I/O接口是计算机系统与外部设备之间的桥梁，负责实现数据格式的转换、速度的匹配和控制信号的传递等功能。I/O接口的组成I/O接口通常由数据缓冲器、控制寄存器和状态寄存器等组成。数据缓冲器用于存储数据，控制寄存器用于控制I/O接口的操作，状态寄存器用于存储I/O接口的状态信息。I/O控制方式：程序查询方式1程序查询方式的原理程序查询方式是指CPU通过循环查询I/O设备的状态寄存器，判断I/O设备是否准备好接收或发送数据。如果I/O设备准备好，则CPU进行数据传输；否则，CPU继续查询。2程序查询方式的优缺点程序查询方式的优点是简单易实现，缺点是CPU需要花费大量的时间进行查询，效率较低。I/O控制方式：中断方式中断方式的原理中断方式是指I/O设备在准备好接收或发送数据时，向CPU发送中断请求。CPU接收到中断请求后，暂停当前程序的执行，转而执行中断服务程序，进行数据传输。数据传输完成后，CPU返回继续执行原程序。中断方式的优缺点中断方式的优点是CPU不需要花费大量的时间进行查询，效率较高，缺点是需要中断控制器的支持，实现较为复杂。I/O控制方式：DMA方式DMA方式的原理DMA（DirectMemoryAccess）方式是指I/O设备可以直接与主存储器进行数据传输，无需CPU的干预。DMA控制器负责控制数据传输的过程。1DMA方式的优缺点DMA方式的优点是CPU完全不需要参与数据传输，效率最高，缺点是需要DMA控制器的支持，实现最为复杂。2总线系统：总线的概念与分类总线的概念总线是计算机系统中各个部件之间传递信息的公共通道。总线可以减少计算机系统中部件之间的连接线数量，提高系统的可扩展性和灵活性。总线的分类总线可以分为内部总线和外部总线等。内部总线用于连接计算机系统内部的部件，如CPU、存储器和I/O接口；外部总线用于连接计算机系统与外部设备，如打印机、扫描仪和显示器。总线结构与标准1ISA总线一种传统的总线标准，速度较慢。2PCI总线一种高速的总线标准，广泛应用于各种计算机系统。3AGP总线一种专门用于显卡的总线标准，速度更快。4PCI-E总线一种最新的总线标准，速度更快、功能更强。中央处理器（CPU）：CPU的功能与组成CPU的功能CPU是计算机系统的核心部件，负责执行指令、进行算术和逻辑运算、控制程序的执行流程等。CPU的组成CPU通常由运算器、控制器、寄存器组和高速缓冲存储器等组成。运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责控制程序的执行流程，寄存器组用于存储数据和指令，高速缓冲存储器用于存储经常访问的数据。指令系统：指令格式1指令格式的概念指令格式是指指令的结构和组成方式。指令格式包括操作码和操作数两部分。操作码用于指定指令的操作类型，操作数用于指定指令的操作对象。2常见的指令格式常见的指令格式包括零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令等。不同的指令格式有不同的操作数数量和寻址方式。指令类型数据传送指令用于将数据从一个存储单元传送到另一个存储单元。算术运算指令用于进行加、减、乘、除等算术运算。逻辑运算指令用于进行与、或、非、异或等逻辑运算。控制转移指令用于控制程序的执行流程，如跳转、循环和调用等。指令寻址方式立即寻址操作数直接包含在指令中。1直接寻址指令中包含操作数的地址。2间接寻址指令中包含操作数地址的地址。3寄存器寻址指令中包含操作数所在的寄存器编号。4控制器的设计：硬布线控制器硬布线控制器的原理硬布线控制器是指使用硬件电路实现指令的控制逻辑。硬布线控制器的优点是速度快，缺点是灵活性差，难以修改和扩展。硬布线控制器的设计硬布线控制器的设计需要根据指令系统的特点，设计相应的控制信号和时序电路。常用的设计方法包括状态机设计和微操作序列设计等。微程序控制器微程序控制器的原理微程序控制器是指使用微程序实现指令的控制逻辑。微程序控制器将指令分解为一系列微操作，并将这些微操作存储在控制存储器中。执行指令时，从控制存储器中读取微操作序列，依次执行。微程序控制器的优点微程序控制器的优点是灵活性好，易于修改和扩展，缺点是速度慢。流水线技术：流水线的概念与原理1流水线的概念流水线技术是指将指令的执行过程分解为多个阶段，每个阶段由不同的硬件部件完成。多条指令可以同时在不同的阶段执行，从而提高指令的执行效率。2流水线的原理流水线的原理是利用指令执行过程中的并行性，将指令的执行过程分解为多个阶段，每个阶段并行执行。这样可以提高指令的吞吐率，缩短程序的执行时间。流水线的性能分析流水线的加速比流水线的加速比是指使用流水线技术后，程序的执行时间缩短的倍数。加速比取决于流水线的深度、指令的执行时间和流水线的阻塞情况。流水线的效率流水线的效率是指流水线的实际吞吐率与最大吞吐率之比。效率取决于流水线的阻塞情况和指令的调度策略。多核处理器：多核架构概述多核处理器的概念多核处理器是指在一个芯片上集成多个CPU核心。每个CPU核心可以独立执行指令，从而提高计算机系统的并行处理能力。1多核架构的类型多核架构可以分为对称多处理器（SMP）和非对称多处理器（AMP）等。SMP架构中，每个CPU核心共享相同的存储器和I/O资源；AMP架构中，每个CPU核心拥有独立的存储器和I/O资源。2多核处理器的优势与挑战多核处理器的优势提高并行处理能力，缩短程序的执行时间；提高系统的吞吐率，提高用户的响应速度；降低系统的功耗，提高能源利用率。多核处理器的挑战需要重新设计程序，充分利用多核处理器的并行处理能力；需要解决多核处理器之间的同步和通信问题；需要解决多核处理器的资源分配和调度问题。计算机的启动过程：BIOS与启动盘BIOS的功能BIOS（BasicInput/OutputSystem）是计算机启动时首先执行的程序，负责初始化硬件设备、检测系统配置和引导操作系统。启动盘的功能启动盘是一种特殊的存储介质，包含引导操作系统的程序。当计算机无法从硬盘启动时，可以使用启动盘引导操作系统。操作系统引导过程1加载引导扇区BIOS将启动盘的引导扇区加载到内存中。2执行引导程序引导程序负责加载操作系统的内核。3加载操作系统内核操作系统内核被加载到内存中，并开始执行。4初始化操作系统操作系统初始化各种系统资源，并启动各种系统服务。计算机病毒与防护计算机病毒的类型计算机病毒可以分为文件型病毒、引导型病毒和宏病毒等。不同类型的病毒有不同的传播方式和危害程度。计算机病毒的传播方式计算机病毒可以通过移动存储介质、网络和电子邮件等方式传播。用户需要提高安全意识，避免下载和打开来源不明的文件。计算机病毒的防护安装杀毒软件、防火墙和恶意软件扫描器等可以有效防护计算机病毒。用户需要定期更新杀毒软件的病毒库，并进行全面的系统扫描。计算机硬件故障诊断：常用工具与方法常用工具万用表、示波器、逻辑分析仪等。1常用方法观察法、替换法、比较法等。2主板故障诊断与排除常见故障无法启动、启动异常、接口损坏等。诊断与排除观察法、替换法、测量法等。内存故障诊断与排除常见故障无法启动、蓝屏、程序崩溃等。诊断与排除Memtest86、替换法等。硬盘故障诊断与排除1常见故障无法识别、读写错误、坏道等。2诊断与排除HDTune、替换法等。显卡故障诊断与排除常见故障无法显示、花屏、驱动问题等。诊断与排除替换法、驱动更新等。电源故障诊断与排除常见故障无法启动、供电不足、烧毁等。1诊断与排除万用表、替换法等。2常见软件故障与维护操作系统故障蓝屏、崩溃、启动问题等。应用软件故障无法启动、运行错误、卡顿等。操作系统维护与优化系统清理清理垃圾文件、临时文件等。磁盘整理整理磁盘碎片，提高访问速度。启动项管理管理启动项，缩短启动时间。驱动程序的安装与更新1驱动程序的作用驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁。2驱动程序的安装手动安装、自动安装等。3驱动程序的更新定期更新驱动程序，提高系统稳定性。数据备份与恢复数据备份定期备份重要数据，防止数据丢失。数据恢复使用备份文件恢复丢失的数据。系统安全设置与防范防火墙设置开启防火墙，阻止未经授权的访问。1密码设置设置强密码，防止密码破解。2权限管理合理分配用户权限，防止恶意操作。3计算机硬件升级：CPU升级CPU选购根据需求选择合适的CPU。CPU安装按照说明书安装CPU。CPU测试测试CPU稳定性。内存升级内存选购根据主板选择合适的内存。内存安装按照说明书安装内存。内存测试测试内存稳定性。硬盘升级1硬盘选购根据需求选择合适的硬盘。2硬盘安装按照说明书安装硬盘。3硬盘测试测试硬盘性能。显卡升级显卡选购根据需求选择合适的显卡。显卡安装按照说明书安装显卡。显卡测试测试显卡性能。计算机组装与配置：硬件选购CPU选择合适的CPU型号。1主板选择兼容的主板型号。2