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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Cach