《计算机组成原理》课件2.pptVIP

计算机组成原理深入了解计算机系统内部组成与工作原理

课程目标和学习要点理解基本概念掌握计算机组成核心原理分析系统架构能够分析不同层次计算机系统结构硬件设计基础学习计算机硬件设计基本方法性能评估

计算机系统的基本概念1物理设备硬件组件和电子线路2系统软件操作系统和驱动程序3应用软件面向用户的程序和服务

冯·诺依曼体系结构存储程序原理指令数据存储在同一存储器中五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备顺序执行指令按地址顺序逐条执行二进制编码采用二进制表示和处理信息

现代计算机系统的组成中央处理器(CPU)运算控制核心存储系统多级存储层次结构总线系统内部通信通道输入/输出系统与外部世界交互接口

计算机的性能指标时钟频率CPU工作速度的基本指标CPI和MIPS每指令周期数和每秒百万指令数吞吐量单位时间处理的任务数量响应时间完成单个任务所需时间

数据的表示：进制转换二进制计算机内部表示1十进制人类使用习惯2八进制每3位二进制一组3十六进制每4位二进制一组4

数据的表示：定点数和浮点数定点数小数点位置固定表示范围有限运算简单快速适合整数运算浮点数小数点位置可变表示范围广精度可控符合IEEE标准

数据的表示：字符和图形ASCII码7位编码，表示128个字符Unicode国际通用字符集，多语言支持位图图形像素点阵表示，分辨率固定矢量图形数学公式描述，可无损缩放

计算机的运算方法：定点加减法数据准备对齐位数，准备操作数原码/补码转换负数转为补码表示按位运算从低位到高位逐位相加/减溢出检测判断结果是否超出表示范围

计算机的运算方法：定点乘除法乘法原理部分积累加，移位相加Booth算法减少加法次数的乘法优化除法原理试商、部分余数、移位操作恢复余数法传统二进制除法实现

计算机的运算方法：浮点数运算结果舍入精度控制和误差处理尾数运算按定点算法处理尾数部分阶码调整对齐操作数小数点分解操作数分离符号、阶码和尾数

算术逻辑单元（ALU）的基本结构算术运算电路执行加减乘除等数值计算逻辑运算电路执行与或非异或等逻辑操作移位电路执行左移右移循环移位操作状态标志电路记录运算结果的特征状态

指令系统的基本概念指令的概念计算机执行的最基本操作指令集架构(ISA)硬件与软件之间的接口指令分类数据传送、运算、控制、特权指令指令周期取指、译码、执行、回写

指令格式和寻址方式指令格式操作码、地址码、长度立即寻址操作数直接在指令中直接寻址指令包含操作数地址间接寻址指令包含指向操作数的指针变址寻址基址加偏移量计算地址

CISC和RISC指令集CISC复杂指令集计算机指令数量多指令长度不固定微程序控制代表：x86架构RISC精简指令集计算机指令数量少指令长度固定硬布线控制代表：ARM架构

存储系统概述存储功能保存程序、数据、中间结果和最终结果存储介质半导体、磁存储、光存储存储分类按速度、容量、成本和功能分层存储管理地址映射、分配回收、缓存一致性

存储器的层次结构1寄存器最快、容量最小高速缓存解决CPU与内存速度不匹配主存程序执行的工作区4外存容量最大、速度最慢

主存储器：RAM和ROMRAM(随机存取存储器)易失性存储器SRAM：静态RAM，速度快DRAM：动态RAM，容量大掉电后内容丢失ROM(只读存储器)非易失性存储器PROM：一次性可编程EPROM：可擦除可编程EEPROM：电可擦除可编程

高速缓存（Cache）的工作原理查找检查请求数据是否在缓存中命中缓存中找到所需数据缺失从下一级存储加载数据替换按替换算法更新缓存内容

虚拟存储器技术虚拟地址空间为程序提供连续地址空间假象分页管理固定大小页面作为管理单位地址转换页表实现虚拟地址到物理地址映射缺页处理按需将页面调入主存

外部存储器：硬盘和固态硬盘机械硬盘(HDD)磁介质存储大容量低成本机械部件限制速度寻道时间长固态硬盘(SSD)闪存颗粒存储无机械部件随机访问速度快功耗低但成本高

总线系统概述总线定义计算机组件间共享的通信线路总线功能传输地址、数据和控制信号总线结构单总线、多总线架构总线性能传输速率、带宽和时序要求

总线的分类和特性内部总线芯片内部连接通道系统总线CPU与主存之间的连接2外部总线连接外设的标准接口扩展总线提供外设扩展能力

总线仲裁和通信协议请求控制权多设备争用总线仲裁决策确定优先级最高的设备授权使用允许设备使用总线释放总线完成传输后让出控制权

中央处理器（CPU）的基本组成运算器(ALU)执行算术逻辑运算控制器(CU)指令译码和控制信号发生寄存器组临时存储数据和状态内部总线连接各部件的通信路径

CPU的功能和工作原理取指从内存读取指令译码解析指令内容执行完成指令规定操作回写保存执行结果

控制器的结构和功能指令寄存器IR存放当前指令指令译码器解释指令含义时序产生器生成操作时序信号控制信号发生器输出各种控制信号