《计算机组成原理》课件.pptVIP

计算机组成原理本课程探讨计算机系统的基本构成单元及其工作原理

课程目标和内容掌握计算机基本组成理解计算机硬件各部分的功能与工作原理学习计算机系统结构掌握数据表示、指令系统和存储原理培养系统思维

计算机系统的层次结构硬件层物理设备与电子电路微架构层微操作序列与控制信号指令系统层机器指令与寄存器操作系统层系统调用与进程管理应用层用户程序与应用软件

冯·诺依曼计算机结构存储程序程序和数据存储在同一存储器中运算器执行算术逻辑运算控制器指令的解释和执行存储器程序和数据的存放输入输出设备信息输入与输出的途径

计算机硬件的基本组成中央处理器(CPU)运算器和控制器的组合执行指令和数据处理存储器主存储器(内存)和辅助存储器存放程序和数据输入/输出设备实现人机交互和数据传输键盘、鼠标、显示器等总线系统连接各个部件的公共通道数据、地址和控制总线

计算机软件的分类应用软件满足用户特定需求的程序系统软件控制计算机操作的基础程序固件存储在只读存储器中的程序

计算机性能指标时钟频率CPU的工作节拍速度单位：赫兹(Hz)CPI每条指令的平均时钟周期数越小越好MIPS每秒执行的百万条指令数衡量处理速度FLOPS每秒执行的浮点运算次数衡量科学计算能力

数制与编码二进制基数为2，数字：0和1计算机内部表示的基础八进制基数为8，数字：0-7早期计算机常用十进制基数为10，数字：0-9人类日常使用十六进制基数为16，数字：0-9,A-F程序设计与调试常用

二进制算术运算二进制加法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10二进制减法0-0=0，1-0=1，1-1=0，0-1需借位二进制乘法基于移位和加法操作二进制除法基于移位和减法操作

定点数的表示和运算原码表示符号位+绝对值反码表示正数不变，负数按位取反补码表示反码+1，计算机常用移码表示补码符号位取反，用于浮点指数

浮点数的表示和运算IEEE754标准国际通用的浮点数表示方法1单精度(32位)1位符号，8位指数，23位尾数2双精度(64位)1位符号，11位指数，52位尾数3特殊值零、无穷大、非数(NaN)4

算术逻辑单元（ALU）的基本结构2主要功能模块算术单元和逻辑单元4基本运算加、减、乘、除6逻辑操作与、或、非、异或等1状态标志位进位、溢出、零、符号等

加法器和减法器的设计1半加器两个输入，无进位输入2全加器两个输入加一个进位输入3串行加法器逐位加法，性能较低4并行加法器同时处理所有位，速度快

乘法器的基本原理移位操作被乘数左移或乘数右移部分积形成根据乘数位决定是否加被乘数部分积累加各部分积相加得到最终结果

除法器的基本原理恢复余数法试商后余数为负则恢复，再右移不恢复余数法余数为负时直接加除数，提高效率加速技术提前试商与并行处理

存储系统概述寄存器Cache主存固态硬盘机械硬盘

存储器的层次结构1寄存器速度最快，容量最小Cache高速缓冲存储器主存RAM，程序运行的场所辅存硬盘，容量大速度慢

RAM的工作原理SRAM静态随机存取存储器触发器存储，无需刷新速度快，功耗高，成本高用于CacheDRAM动态随机存取存储器电容存储，需定期刷新密度高，成本低用于主存

ROM的类型和应用MROM掩模型只读存储器内容在制造时确定PROM可编程只读存储器用户一次性编程EPROM可擦除可编程只读存储器紫外线擦除EEPROM/Flash电可擦除可编程只读存储器电擦除，应用广泛

主存储器与CPU的连接地址总线CPU指定访问的存储单元数据总线传输读取或写入的数据控制总线传输读/写控制信号

Cache的工作原理时间局部性刚被访问的数据可能很快再次被访问空间局部性被访问数据附近的数据可能很快被访问块替换根据替换算法选择被替换的块命中率Cache访问成功的比率，越高越好

Cache映射方式直接映射主存块只能映射到特定缓存行全相联映射主存块可映射到任意缓存行组相联映射主存块可映射到指定组内任意行

Cache替换算法随机替换随机选择被替换块FIFO替换最早调入的块LRU替换最久未使用的块LFU替换使用频率最低的块

虚拟存储器概念基本思想程序局部性原理主存作为辅存的缓存部分装入，请求调入特点主存空间自动分配编程容量无限制多道程序并发运行地址转换逻辑地址→物理地址MMU硬件支持快表(TLB)加速转换

页式虚拟存储器页表记录逻辑页与物理页框的映射关系页面划分将程序和数据划分为固定大小的页页面置换当页面失效时，选择页面调出页面调度按需将页面在主存和辅存间移动

段式和段页式虚拟存储器段式存储按逻辑单位分段，长度可变段页式存储先分段再分页，兼顾灵活性和效率地址变换多级地址转换，需硬件支持

外部存储器概述磁盘存储器机械硬盘，大容量，速度较慢固态存储器SSD，速度快，无机械部件光盘存储器CD/DVD/BD，容量大，便于保存闪存U盘，便携式存储设备

磁盘