计算机组成原理第六章课件

计算机组成原理第六章课件1CATALOGUE目录第六章概述计算机系统层次结构指令系统体系结构微程序控制器存储系统输入输出系统总结与展望2第六章概述013掌握计算机系统的基本组成和工作原理；理解计算机中数据的表示和运算方法；了解计算机指令系统和汇编语言程序设计的基本原理；具备分析和设计简单计算机系统的能力。01020304教学目标与要求4章节内容与结构计算机中数据的运算阐述计算机中基本运算的实现方法，如算术运算、逻辑运算和移位运算等；计算机中数据的表示介绍计算机中数值数据和非数值数据的表示方法，包括进制数、定点数和浮点数等；计算机系统的基本组成包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；指令系统介绍指令的基本格式、寻址方式和指令的分类等；汇编语言程序设计简要介绍汇编语言的基本语法和程序设计方法。5由硬件系统和软件系统组成的整体，用于实现数据处理和信息存储等功能；计算机系统硬件系统软件系统计算机的物理部分，包括各种电子器件和机械设备等；计算机的程序和数据部分，用于控制和管理计算机的运行；030201关键术语和概念6执行算术运算和逻辑运算的部件；运算器控制计算机各部件协调工作的部件；控制器用于存储数据和程序的部件；存储器关键术语和概念7将外部信息转换为计算机能识别的二进制代码的部件；输入设备将计算机处理后的结果转换为人们能识别的信息的部件。输出设备关键术语和概念8计算机系统层次结构029

计算机系统抽象层的转化指令集体系结构层应用程序员通过该层使用机器指令编写的程序可以在多种处理器上运行，实现程序的可移植性。微程序机器层该层通过微指令实现对指令集体系结构层的解释，微指令由硬件直接执行。传统机器层该层包括操作系统、汇编语言以及传统的高级语言编译器和解释器，为程序员提供更为抽象和易用的编程接口。10操作系统通过系统调用为应用程序提供对硬件资源的访问接口，如文件操作、网络访问等。系统调用硬件通过中断和异常机制与软件进行交互，实现处理器与外设之间的通信以及错误处理等功能。中断和异常处理器通过寄存器与内存进行数据传输和存储，实现程序的执行和数据处理。寄存器与内存硬件和软件的界面110102数字逻辑层实现基本逻辑运算的电路和芯片设计。微体系结构/硬件层包括处理器、内存、总线等硬件组件的设计和实现。指令集体系结构/操作系…定义处理器的指令集和操作系统的功能和接口。系统软件层包括编译器、解释器、汇编器等软件工具的设计和实现。应用软件层各种应用程序的设计和实现，如办公软件、游戏等。030405计算机系统层次结构的划分12指令系统体系结构0313是指计算机系统中软件和硬件之间的接口，它定义了一组用于编写程序的指令和这些指令的二进制编码格式。指令集架构（ISA）是指计算机执行某种操作的命令，由操作码和操作数组成。指令用于指定要执行的操作类型。操作码指定操作的对象，可以是寄存器、内存地址或立即数等。操作数指令集架构的定义14通常由操作码、寄存器地址和操作数地址等字段组成。不同的指令集架构有不同的指令格式。是指确定操作数有效地址的方式。常见的寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址和相对寻址等。指令格式和寻址方式寻址方式指令格式150102复杂指令集（CISC）以微程序控制技术为代表，指令数量多且复杂，注重指令的功能和效率。精简指令集（RISC）以硬布线逻辑控制为主，指令数量少且简单，强调指令的规范性和统一性。加载/存储架构（Loa…只允许通过专门的加载和存储指令来访问内存，其他指令只能在寄存器之间进行操作。这种架构有利于实现流水线和超标量处理等技术。寄存器-寄存器架构（R…允许任何指令都可以直接访问寄存器，这种架构有利于提高处理器的运算速度。堆栈架构（Stack…使用堆栈数据结构来存储操作数，所有操作都在堆栈顶部进行。这种架构有利于简化编译器设计和实现函数调用等功能。030405指令集架构的分类和特点16微程序控制器0417微程序控制01是一种仿照计算机解题程序的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放到一个控制存储器中，用寻址方式取出微指令，经过译码产生所需的操作控制信号。微程序控制器02是计算机中的一种控制部件，负责执行指令的一部分，该部分提供了计算机指令的底层实现。微程序03存储在控制存储器中的完成一条机器指令功能的程序，由微指令组成。它是实现指令的一种手段，具体实现这一指令功能的微命令序列。微程序控制的基本概念18微指令格式分为水平型微指令和垂直型微指令两种。水平型微指令并行操作能力强、效率高、灵活性强，垂直型微指令则简单易实现。微指令编码通常采用直接编码、字段直接编码、字段间接编码、混合编码、其他编码方式。微指令的格式和编码19微程序控制器组成由控制存储器、微指令寄存器、微地址寄存器等部件组成。其中，微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分，微命令寄存器又分为直接控制部分和译码部分两部分。要点一要点二工作原理取指周期中，根据PC的内容从主存中取出一条机器指令到IR中，并且PC内容加1，形成下一条机器指令的地址。执行周期中，通过CU译码产生该周期内的全部操作控制信号，这些信号按照时间顺序发往各个部件，控制相关部件执行规定的操作。其中，取指周期流出的微地址信息流入CMAR，再从CM中取出对应的微指令送入CMDR中。CMDR中操作控制字段的信息送入微操作控制信号发生器，产生该机器周期内各个阶段的操作控制信号。微程序控制器的组成和工作原理20存储系统0521位于CPU内部，速度最快，容量最小，用于暂存指令和数据。寄存器高速缓存（Cache）主存储器（内存）外存储器（辅存）位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小，用于缓解CPU和主存之间的速度差异。位于计算机主板上，速度与CPU相差较大，容量较大，用于存放正在运行的程序和数据。位于计算机外部，速度最慢，容量最大，用于长期保存信息。存储器的层次结构22主存储器由存储体、地址译码器、驱动电路、读写电路和控制电路等组成。组成CPU通过地址总线将地址信息送到地址译码器，译码器将地址信息转换为对应存储单元的选择信号，然后通过数据总线将数据写入存储单元或从存储单元中读出数据。读写操作主存储器的组成和读写操作23高速缓冲存储器（Cache）采用高速的SRAM芯片组成，其存取速度与CPU相当。当CPU需要访问主存时，首先访问Cache，如果所需数据在Cache中（称为命中），则直接从Cache中读取；否则（称为未命中），再从主存中读取，同时将读取的数据块放入Cache中。原理高速缓冲存储器广泛应用于计算机系统中，用于提高CPU访问主存的速度。在多层次存储系统中，Cache位于CPU和主存之间，起到承上启下的作用。同时，随着计算机技术的发展，Cache的容量和速度也在不断提高。应用高速缓冲存储器的原理和应用24输入输出系统062503输入输出系统的性能指标包括数据传输速率、设备利用率、可靠性和可维护性等。01输入输出设备的分类包括输入设备（如键盘、鼠标等）和输出设备（如显示器、打印机等）。02输入输出操作的过程涉及用户程序、操作系统和硬件设备的交互，包括设备打开、读写操作和设备关闭等步骤。输入输出系统的基本概念26中断是由外部事件引起的处理器行为，而异常是由处理器内部事件引起的。中断和异常的概念包括硬件中断、软件中断、陷阱和故障等。中断和异常的分类涉及中断/异常响应、中断/异常处理和中断/异常返回等步骤。中断和异常的处理过程中断控制器用于管理多个中断源，而中断向量表用于存储中断处理程序的地址。中断控制器和中断向量表中断和异常处理机制27设备驱动程序的编写和调试设备驱动程序的概念设备驱动程序是连接操作系统和硬件设备的软件接口，用于管理设备的操作和控制。设备驱动程序的编写涉及了解硬件设备的工作原理、编写设备控制程序、处理中断和异常等步骤。设备驱动程序的调试包括使用调试工具进行单步跟踪、查看寄存器内容和内存数据等技巧，以及处理常见的驱动程序错误和问题。设备驱动程序的优化针对性能瓶颈和资源占用等问题，采用优化算法和数据结构等方法提高驱动程序的效率和稳定性。28总结与展望0729ABCD第六章重点内容回顾计算机的运算方法和运算器设计包括定点数和浮点数的表示、运算以及运算器的组成和设计方法。CPU的结构和功能详细阐述了CPU的组成、功能以及工作原理，包括取指、译码、执行等过程。指令系统介绍了指令格式、寻址方式、指令类型以及指令系统的设计和优化。控制器的设计介绍了控制器的组成、工作原理以及设计方法，包括微程序控制器和硬布线控制器。30掌握计算机基本组成和工作原理通过学习计算机组成原理，可以深入了解计算机的基本组成和工作原理，为后续课程的学习打下基础。培养计算机系统设计能力计算机组成原理课程不仅介绍计算机的基本组成和工作原理，还注重培养学生的计算机系统设计能力，包括指令系统设计、CPU设计、控制器设计等。提高分析和解决问题的能力通过学习计算机组成原理，可以提高学生分析和解决问题的能力，培养学生的计算思维和创新能力。计算机组成原理课程的意义和价值31随着人工智能和机器学习的快速发展，未来计算机技术将更加注重智能化和自主学习，需要解决算法优化、数据处理等问题。人工智能和机器学习量子计算是一种全新的计算模式，具有超强的计算能力和数据处理能力，是未来计算机技术的重要发展方向之一。但是，量子计算的实现需要解决量子比特的稳定性、量子纠缠等难题