《计算机组成与结构》课件 .pptVIP

计算机组成与结构欢迎来到《计算机组成与结构》课程！本课程将带领你深入探索计算机系统的内部工作原理，从最基本的电路组件到复杂的系统架构。通过学习计算机的硬件组成、数据表示方式、指令系统设计以及各个功能部件之间的协作关系，你将获得对计算机系统全面而深入的理解。无论你是计算机科学专业的学生，还是对计算机内部运作机制感兴趣的爱好者，本课程都将为你提供扎实的理论基础和实践指导，帮助你掌握现代计算机系统的设计原理与实现技术。

课程大纲基础知识计算机系统概述、数据的表示和运算，让你掌握计算机的基本工作原理和数据处理方式。核心部件存储系统、指令系统、中央处理器，深入了解计算机的核心组件及其工作机制。通信与交互总线系统、输入输出系统，学习计算机内部和外部交互的方式。高级架构并行处理技术，探索现代计算机提高性能的先进架构。

第1章：计算机系统概述基础概念计算机是执行输入、存储、处理、控制和输出功能的电子设备，能够按照程序指令自动完成各种数据处理任务。系统组成计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件是计算机的物理实体，软件是在硬件上运行的各种程序。发展趋势计算机技术在朝着更高性能、更低功耗、更强智能化、更好用户体验的方向发展，新型计算范式不断涌现。

计算机发展历史1第一代（1945-1955）使用电子管技术，体积庞大，速度缓慢，主要用于科学计算。代表作是ENIAC，重达30吨，包含18000多个电子管。2第二代（1955-1965）采用晶体管技术，体积缩小，可靠性提高。代表机型有IBM7090/7094系列，开始使用高级编程语言。3第三代（1965-1975）使用集成电路，处理速度大幅提升，开始支持多任务处理。IBM360系列成为典型代表。4第四代至今采用大规模和超大规模集成电路，微处理器出现，计算机尺寸大幅缩小，性能显著提升，个人计算机普及。

冯·诺依曼结构存储程序程序和数据都存储在同一个存储器中，可按地址进行存取1计算部件具有算术逻辑单元，能进行数据处理2控制部件能够自动执行存储的程序指令3输入输出设备与外部世界交换数据的通道4冯·诺依曼结构是由数学家约翰·冯·诺依曼于1945年提出的计算机基本架构，也称为普林斯顿架构。它定义了现代计算机的基本设计，将计算机分为五个部分：存储器、控制器、运算器、输入设备和输出设备。这一结构的核心思想是存储程序，即程序指令和数据都存储在同一个存储器中，由此奠定了现代计算机的基础。

计算机系统的层次结构1应用软件用户直接使用的程序2系统软件操作系统、编译器等3机器语言CPU能直接识别的二进制指令4微架构CPU内部工作方式5硬件逻辑门电路和触发器等基本组件计算机系统的层次结构是一种抽象化的设计思想，通过将系统分解为多个功能层次，使得每一层都能专注于特定的功能实现，而不必关心其他层次的具体细节。低层次为高层次提供服务，高层次通过低层次提供的接口实现功能。这种分层设计极大地降低了系统的复杂性，提高了系统的可理解性、可维护性和可扩展性。

计算机的基本组成中央处理器（CPU）计算机的大脑，负责执行指令、处理数据，由控制器和运算器组成。存储器用于存储程序和数据，包括内存（RAM）和外存（硬盘等）。输入/输出设备用于计算机与外部世界交换信息，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。总线系统连接各个部件的公路，用于传输数据、地址和控制信号。

计算机的工作过程取指令从内存中取出下一条要执行的指令，放入指令寄存器。指令译码分析指令的操作码和操作数，确定要执行的操作和操作对象。执行指令根据指令的要求完成相应的操作，如算术运算、数据传送、程序跳转等。存储结果将执行结果存入指定的寄存器或内存单元中，准备执行下一条指令。这个过程被称为指令周期（InstructionCycle），是计算机运行程序的基本工作方式。计算机不断重复这个周期来执行程序中的一条条指令，直到程序结束。现代计算机通过流水线、缓存、分支预测等技术来优化这个过程，提高指令执行效率。

计算机性能指标1主频CPU的时钟频率，表示每秒钟产生的脉冲数，单位为赫兹（Hz）。主频越高，CPU执行指令的速度就越快，但相同架构下，主频越高，功耗也越大。2CPI（每指令时钟周期数）执行一条指令所需的时钟周期数，不同指令的CPI可能不同。CPI越小，指令执行效率越高。3MIPS（每秒百万条指令数）每秒能执行的百万条指令数，反映了CPU的整体性能。MIPS=主频/(CPI×1000000)。4FLOPS（每秒浮点运算次数）每秒执行的浮点运算次数，常用于评价科学计算和图形处理能力。

第2章：数据的表示和运算二进制表示计算机内部使用二进制表示所有数据，包括数字、字符、图像和声音等。二进制由0和1两个基本状态组成，符合计算机电路的开关特性。数据编码通过不同的编码规则，可以将各种数据转换为二进制形式